Leitfähigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Metallhalbleitern und Isolatoren | Bandtheorie

Was ist Conductance?

Wenn wir dieselbe Potentialdifferenz anwendenBei verschiedenen Leitern werden unterschiedliche Ströme durchflossen. Wie viel Strom durch einen bestimmten Leiter fließt, wenn eine bestimmte Potentialdifferenz angelegt wird, hängt von einer bestimmten Eigenschaft des Leiters ab elektrische Leitfähigkeit.

Diese Eigenschaft bestimmt, wie einfach ein Strom kannfließen durch einen Dirigenten. Wie wir wissen, ist Widerstand eine solche Eigenschaft eines Leiters, die dem Stromfluss durch sie widersteht. Das heißt, die elektrische Leitfähigkeit ist eine wechselseitige Eigenschaft des Widerstands. Im Allgemeinen wird Leitfähigkeit bezeichnet als

Definition der elektrischen Leitfähigkeit

Elektrische Leitfähigkeit ist definiert als eine spezielle Eigenschaft eines Leiters, die bestimmt, wie leicht ein Strom durchfließen kann.

Gleichung oder Formel der elektrischen Leitfähigkeit

Nehmen wir ein Stück Dirigent der Länge l undQuerschnittsfläche A. Wenn die Länge des Leiters vergrößert wird, müssen die Elektronen mehr Bahnen driften. Daher mehr Chance auf interatomare Kollision. Das bedeutet, dass der Strom viel schwieriger wird, bedeutet dies elektrische Leitfähigkeit der Leiter ist reduziert.

Somit ist die Leitfähigkeit umgekehrt proportional zur Länge des Leiters.


Wenn der Querschnitt des Leiters vergrößert wird, erhält der Strom mehr Driftelektronen. Daher wird die Leitfähigkeit des Leiters erhöht.

Aus der Gleichung (1) und (2)

Dabei gilt σ = Konstante des Proportionalfaktors, bekannt als Leitfähigkeit oder spezifische Leitfähigkeit.

Spezifische Leitfähigkeit oder Leitfähigkeit

In der Gleichung der Leitfähigkeit haben wir bereits den Begriff σ oder Sigma als Leitfähigkeit erwähnt. Wenn wir nun in dieser Gleichung l = 1m und A = 1m setzen2 dann ist G = σ. Dies deutet darauf hin, dass σ die Leitfähigkeit eines Leiters ist, dessen Länge 1 m und die Querschnittsfläche 1 m beträgt2. Die mittlere spezifische Leitfähigkeit oder Leitfähigkeit ist die Leitfähigkeit eines Leiters mit einem Volumen von 1 m × 1 m2 = 1 m3.

Definition der elektrischen Leitfähigkeit

Die Leitfähigkeit ist ein Material pro Volumeneinheit.
Elektrische Leitfähigkeit ist eine grundlegende Eigenschaft des Materials. Aufgrund dieser Eigenschaft kann ein Material Strom leiten. Einige Materialien sind ein guter Stromleiter, dh sie können sehr leicht von Strom durchflossen werden. wieder lassen manche Materialien keinen Strom durch. Das Material, durch das der Strom leicht fließt, wird als guter Stromleiter bezeichnet, mit anderen Worten, die elektrische Leitfähigkeit dieser Materialien ist hoch. Andererseits lassen die Materialien keinen Stromfluss durch sie heißen elektrische Isolatoren. Es gibt einige Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit nicht so hoch wie der Leiter ist und auch nicht so schlecht wie der Isolator ist, sie haben eine mittlere Leitfähigkeit und diese Art von Materialien werden als Halbleiter bezeichnet.

Einheit der Leitfähigkeit

Wie bereits erwähnt, ist die Leitfähigkeit reziprok des Widerstands des Widerstands. Das ist,


Widerstandseinheit ist Ohm und deshalb Leitfähigkeitseinheit wird im Allgemeinen als geschrieben mho - die umgekehrte Schreibweise von Ohm. Eine moderne Elektrotechnik, mho wird von genannt Siemens.

Einheit der Leitfähigkeit

Die Gleichung der Leitfähigkeit haben wir bereits abgezogen als


Daher ist die Einheit der Leitfähigkeit

Hier ist S Siemens.

Tabelle der Widerstandsfähigkeit und Leitfähigkeit verschiedener Materialien bei 20OC

MaterialWiderstand bei 20OCLeitfähigkeit 20OC
Luft1,3 × 1016 bis 3,3 × 10163 × 10-15 bis 8 × 10-15
Aluminium2,82 × 10-83,5 × 107
Getempertes Kupfer1,72 × 10-85,80 × 107
Kalzium3,36 × 10-82,98 × 107
Kohlenstoff (amorph)5 × 10-4 bis 8 × 10-41,25 bis 2 × 103
Kohlenstoff (Diamant)1 × 1012~ 10-13
Kohlenstoff (Graphit)2,5 × 10-6 bis 5,0 × 10-6 // basale Ebene2 bis 3 × 105 // basale Ebene
Kohlenstoffstahl-10101,43 × 10-7
Constantan4,9 × 10-72,04 × 106
Kupfer1,68 × 10-85,96 × 107
Entionisiertes Wasser1,8 × 1055,5 × 10-6
Wasser trinken2 × 101 bis 2 × 1035 × 10-4 bis 5 × 10-2
Geschmolzener Quarz7,5 × 10171,3 × 10-18
GaAs5 × 10-7 bis 10 × 10-35 × 10-8 bis 103
Germanium4,6 × 10-12.17
Glas10 × 1010 bis 10 × 101410-11 bis 10-15
Gold2,44 × 10-84,10 × 107
Kornorientiertes Elektrostahl4,60 × 10-72,17 × 106
Hartes Gummi1 × 101310-14
Eisen1,0 × 10-71,00 × 107
Führen2,2 × 10-74,55 × 106
Lithium9,28 × 10-81,08 × 107
Manganin4,82 × 10-72,07 × 106
Quecksilber9,8 × 10-71,02 × 106
Nichrome1,10 × 10-69,09 × 105
Nickel6,99 × 10-81,43 × 107
Paraffinwachs1 × 101710-18
HAUSTIER10 × 102010-21
Platin1,06 × 10-79,43 × 106
Meerwasser2 × 10-14.8
Silizium6,40 × 1021,56 × 10-3
Silber1,59 × 10-86,30 × 107
Rostfreier Stahl6,9 × 10-71,45 × 106
Schwefel1 × 101510-16
Teflon10 × 1022 bis 10 × 102410-25 bis 10-23
Zinn1,09 × 10-79,17 × 106
Titan4,20 × 10-72,38 × 106
Wolfram5,60 × 10-81,79 × 107
Holz (feucht)1 × 103 bis 410-4 bis 10-3
Holz (ofengetrocknet)1 × 1014 bis 1610-16 bis 10-14
Zink5,90 × 10-81,69 × 107

Bandtheorie für elektrische Leitfähigkeit

Die Elektronen in der äußersten Umlaufbahn eines Atoms erfahren die geringste Anziehungskraft. So kann das äußerste Atom leicht vom Stammatom abgelöst werden. Erklären wir die Details mit der Bandtheorie.
Wenn mehrere Atome zusammengebracht werden, werden dieElektronen eines Atoms erfahren Kräfte anderer Atome. Dieser Effekt ist in den meisten äußeren Umlaufbahnen am stärksten ausgeprägt. Aufgrund dieser Kraft werden die Energieniveaus, die in einem isolierten Atom scharf definiert wurden, nun zu Energiebändern erweitert. Aufgrund dieses Phänomens ergeben sich im Allgemeinen zwei Bänder, nämlich das Valanzband und das Leitungsband.

Valance Band

Das äußerste Orbital eines Atoms, in dem Elektronen so fest gebunden sind, dass; Sie können nicht als freies Elektron entfernt werden.

Leitungsband

Dies ist das höchste Energieniveau oder Orbital in der äußersten Schale, in dem die Elektronen frei genug sind, um sich zu bewegen.

Bandabstand

Es gibt eine Energielücke, die diese beiden Bänder voneinander trennt, das Valanzband und das Leitungsband. Diese Lücke wird als verbotene Energielücke bezeichnet.

Elektrische Leitfähigkeit von Metall

In Metallen sind die Atome so dicht gepacktElektronen eines Atoms erfahren eine ausreichend signifikante Kraft von anderen geschlossenen Atomen. Das Ergebnis, dass das Valanzband und das Leitungsband in Metallen sich sehr nahe kommen und sogar überlappen können. Infolgedessen steigen die Elektronen durch Aufnahme einer sehr kleinen Energiemenge von einer externen Wärme- oder elektrischen Energiequelle leicht zu höheren Niveaus im Metall auf. Solche Elektronen sind als freie Elektronen bekannt. Diese freien Elektronen sind für den Strom verantwortlich, der durch ein Metall fließt. Wenn eine externe elektrische Quelle mit einem Metallstück verbunden ist, fließen diese freien Elektronen in Richtung des Anschlusses der Quelle mit höherem Potential, wodurch der Strom im Metall fließt. In Metall ist die Dichte der freien Elektronen im Leitungsband viel höher als bei anderen Materialien, daher wird Metall als sehr guter elektrischer Leiter bezeichnet. Mit anderen Worten elektrische Leitfähigkeit von Metall ist sehr gut.

Leitungsband

Tabelle zur Leitfähigkeit verschiedener Metalle

MetalleLeitfähigkeit in Siemens / Meter bei 20OC
Silber6,30 × 107
Kupfer5,96 × 107
Aluminium3,5 × 107
Getempertes Kupfer5,80 × 107
Kalzium2,98 × 107
Kohlenstoffstahl (1010)6,99 × 106
Constantan2,04 × 106
GaAs5 × 10−8 bis 103
Gold4,10 × 107
Kornorientiertes Elektrostahl2,17 × 106
Eisen1,00 × 107
Führen4,55 × 106
Lithium1,08 × 107
Manganin2,07 × 106
Quecksilber1,02 × 106
Nichrome9,09 × 105
Nickel1,43 × 107
Platin9,43 × 106
Rostfreier Stahl1,45 × 106
Zinn9,17 × 106
Titan2,38 × 106
Wolfram1,79 × 107
Zink1,69 × 107

Elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern

Im Halbleiter das Valanzband und die LeitungBand sind durch eine verbotene Lücke von ausreichender Breite getrennt. Bei niedriger Temperatur besitzt kein Elektron genügend Energie, um das Leitungsband zu besetzen, und daher ist keine Ladungsbewegung möglich. Bei Raumtemperatur ist es jedoch möglich, dass einige Elektronen ausreichend Energie abgeben und die Übergänge im Leitungsband machen. Die Dichte der Elektronen im Leitungsband bei Raumtemperatur ist nicht so hoch wie in Metallen und kann daher keinen so guten Strom wie Metall leiten. Das elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern ist nicht so hoch wie Metall, aber auch nicht so schlecht wie ein elektrischer Isolator. Aus diesem Grund wird diese Art von Material Halbleiter - Halbleiter - genannt.

Tabelle zur Leitfähigkeit verschiedener Halbleiter

HalbleiterLeitfähigkeit in Siemens / Meter bei 20OC
Germanium2.17
Silizium1,56 × 10- 3

Elektrische Leitfähigkeit des Isolators

Idealerweise elektrische Leitfähigkeit eines elektrischenIsolator ist Null. Die Atome in den Isolatormolekülen sind ausreichend elektrisch stabil. Die äußersten Schalen dieser Atome sind vollständig mit Elektronen gefüllt. In einem solchen Material, in dem der verbotene Spalt sehr groß ist, ist die Energie, die das Elektron für den Übergang zum Leitungsband benötigt, praktisch groß genug. Isolatoren leiten den Strom nicht leicht. Das heißt das elektrische Leitfähigkeit des Isolators ist sehr schlecht.

Tabelle zur Leitfähigkeit verschiedener Isolatoren

IsolatorLeitfähigkeit in Siemens pro Meter bei 20OC
Luft3 × 10-15bis 8 × 10−15</ td></ tr>
Geschmolzener Quarz1,3 × 10-18
Glas10-11 bis 10-15
Hartes Gummi10-14
Paraffinwachs10-18
HAUSTIER10-21
Schwefel10-16
Teflon10-25 bis 10-23
Holz10-16 bis 10 -14
Bemerkungen
Einen Kommentar hinzufügen