محتويات
الموصلات والعوازل وأشباه الموصلات من حيث التعريف
يوجد العديد من الطرق لتصنيف المواد حسب طبيعتها،[١] ويمكن تصنيف المواد المحيطة في حياة الإنسان وفقًا لقابليتها في توصيل الكهرباء كما يأتي:
الموصلات الكهربائية (Electrical Conductors)
تُعرف الموصلات الكهربائية بأنها المواد التي تسمح بمرور التيار الكهربائي من خلالها بسهولة، وبالتالي توصيل التيار الكهربائي، وهذه الخاصية تُعرف بالخاصية الموصلية للتيار الكهربائي (Conductivity)، إذ تحتوي هذه المواد على إلكترونات حُرة موجودة على سطحها وبالتالي تسمح بحركة الإلكترونات عبرها بسهولة.[٢]
وهذا هو السبب وراء قدرة هذه المواد على توصيل التيار الكهربائي.[٢]
العوازل الكهربائية (Electrical Insulators)
تُعرف بأنها المواد التي تمنع حركة التيار الكهربائي خلالها ولا تسمحها، وتعرف هذه الخاصية باسم المقاومة النوعية (Resistivity)، ويعود عمل هذه المواد إلى قدرتها على عرقلة سير الإلكترونات خلالها.[٢]
إذ تعمل العوازل الكهربائية على عرقلة سير الإلكترونات عبرها بسبب عدم احتوائها على إلكترونات حرة على سطحها، كما أن المواد العازلة للكهرباء تتميز بالروابط التساهمية القوية ما بين إلكترونات الذرات المكونة لها مع نواة الذرة، على عكس المواد الموصلة للكهرباء التي تكون فيها الرابطة بين الإلكترونات والذرات أضعف.[٣]
أشباه الموصلات (Semiconductor)
أشباه الموصلات هي المواد التي تقع ما بين الموصلات الكهربائية والعوازل الكهربائية في خصائصها المتعلقة بتوصيل التيار الكهربائي، ومن أشهرها السيليكون والجرمانيوم،[٤] ويمكن إضافة نسبة معينة من العوالق والشوائب في تركيب المواد شبه الموصلة، مما يؤدي إلى إحداث فرق كبير في موصلية هذه المواد.[٥]
الموصلات والعوازل وأشباه الموصلات من حيث الخصائص
وفيما يأتي جدول مقارنة بين المواد الموصلة والعازلة وأشباه الموصلات، يُوضح أهم نقاط المفارقة بينهم:
من حيث | الموصلات | العوازل | أشباه الموصلات |
الموصلية الكهربائية | 10^7 (Ω-m)^-1.[٦] | أقل من 10^-10(Ω-m)^-1.[٦] | تعتمد قيمة الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات على نسبة العوالق والشوائب التي يتم إضافتها للمادة شبه الموصلة،[٧] |
المقاومة النوعية | عادة ما تكون المقاومة النوعية للموصلات قليلة جدًا، أقل من 0.1 Ω (أوم).[٧] | عادة ما تكون عالية جدًا للعوازل أكثر من 50 مليون Ω.[٧] | |
معامل المقاومة | موجب.[٩] | سالب.[١٠] | سالب.[٩] |
معامل درجة الحرارة | يمكن للموصلات توصيل الحرارة.[١١] | لا يمكن للعوازل توصيل الحرارة.[١١] | سيئة التوصيل للحرارة.[١٢] |
تدفق التيار | تسمح الموصلات الكهربائية بمرور التيار الكهربائي خلالها بسهولة.[٢] | لا تسمح العوازل الكهربائية بمرور التيار الكهربائي.[٢] | تسمح أشباه الموصلات بمرور التيار الكهربائي، ولكن بدرجة أقل من الموصلات.[٤] |
حامل الشحن | الإلكترونات.[١٣] | لا يوجد لها حامل للشحنة.[١٣] | إلكترونات مدار التكافؤ.[١٤] |
تكافؤ الإلكترونات في الغلاف الخارجي | تحتوي الموصلات الكهربائية الممتازة على إلكترون متكافئ واحد.[١٥] | تحتوي العوازل الكهربائية الممتازة على 8 إلكترونات متكافئة.[١٥] | تحتوي أشباه الموصلات على 4 إلكترونات متكافئة.[١٥] |
نطاق الطاقة | تحتوي الموصلات الكهربائية على العديد من الإلكترونات في نطاق الطاقة.[١٦] | لا تحتوي العوازل على العديد من الإلكترونات في نطاق الطاقة.[١٦] | يمكن للإلكترونات أن تنتقل إلى نطاق الطاقة لكن ليس بسهولة المواد الموصلة للكهرباء.[١٦] |
تأثير الحرارة على المقاومة | في الموصلات الكهربائية، تزداد المقاومة بزيادة درجة الحرارة.[١٦] | في العوازل الكهربائية، تقل المقاومة كلما زادت درجة الحرارة.[١٦] | كلما زادت درجة الحرارة المؤثرة على أشباه الموصلات، تقل المقاومة.[١٧] |
السلوك عند درجة الحرارة المطلقة | تفقد الموصلات جميع خصائص المقاومة الكهربائية عند درجة الحرارة المطلقة فتصبح فائقة التوصيل للكهرباء.[١٨] | تبقى عازلة للكهرباء.[١٩] | تتصرف أشباه الموصلات كعوازل للتيار الكهربائي عند درجة الحرارة المطلقة.[٢٠] |
فجوة النطاق | لا توجد فجوة في النطاق للموصلات الكهربائية.[٢١] | توجد فجوة نطاق واسعة جدًا للعوازل الكهربائية.[٢١] | فجوة النطاق لأشباه الموصلات معتدلة.[٢١] |
نوع الرابطة | تحتوي الموصلات الكهربائية على الروابط المعدنية (metallic bond) بين ذراتها.[٢٢] | تحتوي العوازل الكهربائية على الرابطة الأيونية (ionic bond)، أو الرابطة التساهمية (covalent bond) بين ذراتها. | تحتوي أشباه الموصلات على الرابطة التساهمية بين ذراتها.[٢٣] |
أمثلة | المعادن المختلفة مثل الذهب والنحاس والحديد، الإنسان، والكرة الأرضية.[١] | البلاستك، والخشب، والزجاج،[٢] والمطاط، والزيوت.[٢٤] | السيليكون والجرمانيوم، والزرنيخ،[٤] والقصدير، والسيلينيوم، والتيلوريوم.[٢٥] |
وفيما يأتي توضيح لبعض المصطلحات التي ذُكرت:
- درجة الحرارة المطلقة
(بالإنجليزية: Thermodynamic Temperature) وهي إحدى المبادئ الأساسية في الديناميكا الحرارية، ويتم تفسيرها باستخدام القانون الثالث من قوانين الديناميكا الحرارية، وهي درجة الحرارة التي يتم قياسها عند الصفر المطلق، وعند درجة الحرارة هذه لا يمكن للمادة أن تبرُد أكثر من ذلك، وتكون المادة في هذه الحالة في أقل مستوياتها المُمكنة من الطاقة.[٢٦]
- فجوة النطاق
(بالإنجليزية: Band Gap) وهي أقل مقدار من الطاقة الذي يلزم حتى يقل ارتباط الإلكترونات بالذرة، وعندما يتم تطبيق فجوة النطاق ويقل ارتباط الإلكترونات بالذرة، يدخل الإلكترون في الحالة الحُرة التي تمكنه من توصيل التيار الكهربائي.[٢٧]
- نطاق الطاقة
وهو النطاق العلوي الذي يحتوي على أقل عدد من الإلكترونات.[٢١]
- معامل المقاومة
