Metal ledningsförmåga

Det är dessa "fria elektroner" som tillåter metaller att leda elektrisk ström. Eftersom valenselektroner kan röra sig fritt kan de passera genom gitteret, vilket bildar metallens fysiska struktur. Under ett elektriskt fält rör sig fria elektroner genom metallen på samma sätt som biljardbollar som slår mot varandra och överför en elektrisk laddning när de rör sig. Energiöverföring.

Energiöverföring är starkast när det finns lite motstånd. På ett biljardbord händer detta när bollen träffar en annan boll och överför det mesta av sin energi till nästa boll. Om en boll träffar flera andra bollar, kommer var och en av dem bara att bära en bråkdel av energin. På samma sätt är de mest effektiva ledarna av elektricitet metaller som har en enda valenselektron som kan röra sig fritt och orsakar en stark repulsionsreaktion från andra elektroner.

Detta är fallet i de mest ledande metallerna som silver, guld och koppar. Var och en har en enda valenselektron, som rör sig med lite motstånd och orsakar en stark repulsionsreaktion. Halvledarmetaller eller metalloider har ett större antal valenselektroner, vanligtvis fyra eller fler. I metaller och halvmetaller är Fermi-nivån inom minst ett band.

I isolatorer och halvledare är Fermi-nivån inuti bandgapet; i halvledare är banden dock ganska nära Fermi-nivån, som är termiskt fylld med elektroner eller hål. När ett stort antal sådana tillåtna nivåer har energivärden på nära håll-i.

Resistivitet tabell

Det kan finnas många sådana energiband i ett material, beroende på atomantalet av beståndsdelar [A] och deras fördelning i kristallen. Således "fyller" elektronerna bandstrukturen, från botten. Den karakteristiska energinivån till vilken elektronerna fylls kallas Fermi-nivån. Fermi-nivåns position i förhållande till bandstrukturen är mycket viktig för elektrisk ledningsförmåga: Endast elektroner på energinivåer nära eller över Fermi-nivån kan röra sig fritt inom materialets bredare struktur, eftersom elektroner lätt kan hoppa bland de delvis ockuperade tillstånden i denna region.

Däremot är lågenergitillstånd helt fyllda med en fast gräns för antalet elektroner när som helst, och högenergitillstånd är alltid tomma för elektroner. En elektrisk ström består av en ström av elektroner. Det finns många elektronenerginivåer i metaller nära Fermi-nivån, så det finns många elektroner att flytta runt. Detta orsakar metallernas höga elektroniska ledningsförmåga.

En viktig del av bandteorin är att det kan finnas förbjudna energiband: energiintervall som inte innehåller energinivåer.

Resistivitet koppar

I isolatorer och halvledare är antalet elektroner rätt mängd för att fylla ett visst heltal av lågenergiband, exakt upp till gränsen. I detta fall ligger Fermi-nivån inom den förbjudna zonen. Eftersom det inte finns några tillgängliga tillstånd nära Fermi-nivån och elektronerna inte är fritt rörliga är den elektroniska ledningsförmågan mycket låg.

I metall Huvudartikel: gratis elektronisk modell animering av Newtons vagga. Liksom kulorna i Newtons vagga överför elektroner i en metall snabbt energi från en terminal till en annan, trots deras lilla rörelse. En metall består av ett gitter av atomer, var och en med ett yttre skal av elektroner, som dissocierar fritt från sina föräldrar och passerar genom gitteret. Detta kallas också ett positivt jongitter.

När skillnaden i elektriska potentialer appliceras på metallen får det resulterande elektriska fältet elektronerna att driva mot den positiva terminalen. Den faktiska elektrondriftshastigheten är vanligtvis liten, i storleksordningen meter per timme. På grund av det stora antalet rörliga elektroner leder till och med en långsam drifthastighet till en hög strömtäthet.

De flesta metaller har elektriskt motstånd. I enklare icke-kvantmekaniska modeller kan detta förklaras genom att ersätta elektroner och kristallgittret med en vågliknande struktur.