التركيب الذري للمادة والمواد الموصلة والعازلة وتصنيفها

التركيب الذري للمادة والمواد الموصلة والعازلة وتصنيفها، إن التركيب الذري للمادة والمواد الموصلة والعازلة وتصنيفها موضوع في غاية الأهمية، ومن الضروري أن يتم دراسته بكل دقة وتفصيل لكي نعرف طبيعة التركيب الذري ومعرفة المواد الموصلة والعازلة.

التركيب الذري للمادة والمواد الموصلة والعازلة وتصنيفها

• إن المواد الموصلة للكهرباء هي التي تكون عبارة عن إلكترونات المدار الخارجي بها أن يتم التحرر من ذراتها، وتقوم بالتحرك بحركة عشوائية من بين الذرات لو تم تعريضها إلى فرق جهد.
• ويقصد بها هنا تلك الإلكترونات التي تعمل على تكوين تيار كهربي، ويكون من أمثلة المواد الموصلة بالكهرباء، النحاس والفضة والألومنيوم ومعظم المعادن الأخرى، أما المواد العازلة للكهرباء متشددة.
• تلك المواد التي تكون متشددة بها قوة جذب النواة لإلكترونات المدار الخارجي، فلا يتم القدرة على الإفلات من الذرة ويكون من أمثلة المواد العازلة للكهرباء الورق والزجاج والبلاستيك.
• إن النواة تكون محتوية على نوعان من الأجسام، واحد منهما يكون موجب الشحنة ويدعى البروتونات والأخر يكون متعادل الشحنة ويسمى نيوترونات ويدور حولهم النواة والتي تسمى الإلكترونيات.
• تكون هذه الإلكترونيات سالبة الشحنة بمدارات ثابتة، إن الإنسان يعتمد في كل مجالات النشاطات اليومية على أن يتم استخدام الكهرباء، يطلق على تدفق الشحنات الكهربائية بالتيار الكهربائي.

ما هي الموصلات الكهربائية؟

• تعتبر من المواد التي تسمح بمرور الكهرباء، يتم إضافة تكون على المعادن كمواد ناقلة للكهرباء ومواد أخرى كالأحماض والمحاليل والكربون والقواعد هذه المواد تتميز باحتوائها على إلكترونات حرة.
• بمدارها الأخير منها وتكون قابلة للحركة عندما يتم وجود قوة خارجية تقوم بدفعها للحركة، ويكون من أفضل وأهم الناقلات الكهربائية يكون المعادن والفضة والألومنيوم والنحاس والذهب.
• ويعتبر النحاس من المعادن المفضلة والأشهر في التمديدات الداخلية والأجهزة الكهربائية، وهذا يكون بسبب جودته وانخفاض في تكلفته وهذا عكس الذهب والفضة فتكون تكلفتها عالية جداً.
• بعض من السوائل مثل الماء والمحاليل كالمحلول الملحي تتميز بفعاليتها في توصيل التيار الكهربائي، يتم النصح بالابتعاد عن وضع الأسلاك الكهربائية بقابس الكهرباء عندما اليد تكون مبللة من الماء.
• حتى لا تتم إصابة الشخص بصعقة كهربائية، بعض من الغازات يتم تحويلها عند تعرضها لدرجات عالية وتسمى بالبلازما وتعتبر من أنواع موصلات الكهرباء والمصباح الفلوري من أمثلة هذا البلازما.
• ويتم التأثر بكفاءة الموصلات الكهربائية من الحرارة لهذا يتم التفضيل بوجود درجات حرارة منخفضة حولها تقوم بوظيفتها بقدرة وكفاءة عالية، والتركيب الذري للمادة والمواد الموصلة والعازلة وتصنيفها.

الفرق بين الموصلات والعوازل الكهربائية

• إن المواد التي لا يتم انتقال التيار الكهربائي من خلالها تسمى بالعوازل أي أنها لا تكون موصلة بالكهرباء، وهذا يكون بسبب قوة الربط الكبيرة التي تكون بين النواة والإلكترون الذي يكون حر.
• ويكون من الأمثلة الغازات بكل أنواعها، وبعض من السوائل والمواد الصلبة أو القوية التي يتم الاستثناء منها الكربون والمعادن والمواد العازلة تكون ضرورية وهامة عندما نلمس التيار مثل البلاستيك.

الفرق بين الموصلات وأشباه الموصلات الكهربائية

• أشباه الموصلات هي التي تسمح بمرور الكهرباء بصورة ضعيفة وإضافة أنها تكون من المواد العازلة، تسمح بضبط قدرتها على التوصيل الكهربائي ومن المواد التي يتم استخدامها السيليكون.
• والجرمانيوم في الإلكترونات التي تقوم بضم التلفاز والراديو والترانزستور والآلات الحاسبة، وتسمى الموصلات الكهربائية بالناقلات الكهربائية، إن المعادن من المواد الأكثر نقلاً إلى الكهرباء.

أشهر المعادن التي تكون موصلة للكهرباء

• هناك معادن مشهورة ومميزة قد تكون قادرة على توصيل الكهرباء، ويكون منها الفضة التي تكون من المواد المفضلة والموصلة إلى التيار الكهربائي، وهذا لأنها تكون محتوية على إلكترونات حرة.
• فعندما تمر الكهرباء عن طريق المعادن فإنها تقوم بتحريك الإلكترونات بالمعدن لكي تستطيع أن تمر عن طريقه، لهذا كلما زادت أعداد الإلكترونات الحرة في المعدن زادت توصيل إلى الكهرباء.
• ولهذا فهي لا تعتبر من المواد الأكثر استخداماً بمجال التوصيل الكهربائي وهذا يكون بسبب تكلفتها الغالية والباهظة، يعتبر النحاس من المواد الأقل موصلية للكهرباء من الفضة إلا أنه قليل التكلفة.
• بأقل تكلفة من مادة الفضة لهذا فإن استخدامه يشيع عند الحاجة لقدر كبير من المواد الناقلة إلى الكهرباء، إن الألومنيوم يكون مقارنة بوزن واحد أكثر موصلية من النحاس بسبب تكلفته المنخفضة.
• إلا أن القيام باستخدام الألومنيوم يكون منطوي عليه عدد من العيوب، ويكون من أهم وأشهر هذه العيوب ميل الألومنيوم لتكوين أو تشكيل أكسيد مقام لكي يتم التوصيل الكهربائي للمحولات الكهربائية.
• مما قد يؤدي لارتفاع في درجة حرارة الموصل، لهذا يتم استخدام هذه المادة في خطوط النقل التي تمتاز بالجهد العالي ويتم تغطيتها من خلال الفولاذ ليتم توفير الحماية الإضافية إليها أما الذهب يكون موصل.
• يعتبر من الموصلات الجيدة للكهرباء إضافة لهذا عدم تأكسد عندما يتم تعرضه للهواء كالفولاذ والنحاس، حيث أنه يكون باهظ في ثمنه لهذا يتم استخدام مادة الذهب فقط بأمور محددة ومعينة.
• في الموصلات الكهربائية الصغيرة، إن الفولاذ عبارة عن سبيكة من الحديد وهو يكون موصل مهم وجيد للكهرباء لكنه يكون شديد التآكل بالهواء لهذا يتم استخدامه لكي يطوق الموصلات الأخرى.
• إن المعادن التي لا تكون جيدة التوصيل الكهربائي وهي البلاستيك والخشب الجاف والزجاج والمطاط والألماس والهواء والماء يكون فقط، وإن الماء المالح يمتاز بموصليته الجيدة والهامة للكهرباء.

الموصلية الكهربائية

• يتم تعريف الموصلية الكهربائية بأنها قدرة المادة على حمل تدفق الشحنات، فيكون مثلاً عندما يتم توصيل طرفي البطارية بشريط من الجلفانومتر والحديد والجلفانومتر جهاز يستخدم في الكهرباء.
• لكي يقيس التدفق الكهربائي وإنه سوف يُظهر تدفق التيار الكهربائي عن طريق الشريط الحديدي، وهذا يعني أن مادة الحديد من المواد الموصلة للتيار الكهربائي وإن المعادن تكون مختلفة.
• بقدرتها على توصيل الكهرباء، إن الألومنيوم والفضة سوف يكونوا أكثر قراءة بالجلفانومتر من التي قد ظهرت باستخدام الحديد وعندما يستخدم الرصاص سوف يعطي قراءة أقل وهذا لضعفه.

العناصر المكونة لأشباه الموصلات

• تتكون أشباه الموصلات بصورة رئيسية من عنصري الجرمانيوم والسيليكون، كما أنها تكون مكونة من مركب زرنيخيد الغاليوم أو من فوسفيد الإنديوم أو أيضا كبريتيد الرصاص.
• موجود الكثير من المواد الأخرى والتي من الممكن أن يتم استخدامها كأشباه موصلات، إن بعض من أنواع البلاستيك يتم تصنيعها كأشباه الموصلات ويتم استخدامها لكي تُصنع الصمامات الثنائية.
• التي تكون باعثة للضوء والتي تكون معروفة واختصاراها LEDs، وبسبب أن البلاستيك مادة مرنة قابلة بأن تتشكل بأشكال مختلفة، التركيب الذري للمادة والمواد الموصلة والعازلة وتصنيفها مهم.

أنواع أشباه الموصلات

• تتم نشأة أشباه الموصلات بعد أن يتم إضافة الشوائب إلى المواد، وإن مقدار نقصان موصلية العنصر أو زيادتها يعتمد على مقدار الشوائب المضافة ونوعها ولذلك يتم وصفها بأشباه الموصلات.
• وتحتوي على نوعين رئيسين وهما أشباه موصلات سالبة وهي تكون محتوية على كمية أكبر من الإلكترونات الحرة، مما يُقصد بأنها صاحبة موصلية أعلى، والنوع الثاني من أنواع أشباه الموصلات.
• أشباه الموصلات الموجبة تكون من أشباه الموصلات التي تكون محتوية على إلكترونات حرة قليلة مما يقصد أن موصليتها تكون أقل، وتم استخدام المصطلح للمرة الأولى من قبل عوالم.

كواشف أشباه الموصلات

• عند دخول شعاع المؤين في شبه الموصل تقوم الإلكترونات بالتحرر من ذراتها، إن الفجوات الموجبة الشحنة يتم تشكيلها بسبب أنها فقدت إلكترونات والنشأة تكون على قطبي شبه الموصل بالتيار.
• يمكن التضخيم بمضخم إلكتروني وبعدها يمكن عدها، إن عمل أو تصميم مكشاف ات الشبه موصلات يكون باستخدام تقنيات متقدمة وكثيرة ومنها التشويب، واستخدامها يكون بالمجالات الكهربية.
• في المجالات الكهربية في شبه الموصل، بهدف نقل الشحنات المتولدة بشبه الموصل وتضخيمها، إن الإشعاع المؤين الداخل يقوم بالتسبب بتكوين أزواج من الإلكترونات سالبة الشحنة وأيضاً الفجوات.
• التي تكون موجبة الشحنة ويقوم بتوجيه كلاً منها للقطب المضاد لكي يتم شحنها بشبه الموصل، ويتم الاعتماد على عدد من الأزواج الإلكترونية والفجوات التي قد تكون متولدة على فراغات.
• نشأة سحابة الشحنات تكون مختلفة في شبه الموصل وهذا على حسب نوعية الشعاع الؤين الذي يكون ساقط، من المحتمل أن يتم تولد الجسيمات الأولية المشحونة وتحريرها يكون بشبه الموصل.
• ويتم تحرير الشحنات في شبه الموصل بطريقها، ومن ناحية أخرى تؤثر الفوتونات من خلال التأثير الكهروضوئي بنقطة الاصطدام بواحد من ذرات شبه الموصل وتقوم بامتصاص الفوتون كلياً.

استخدامات كواشف أشباه الموصلات

• إن مكشفات شبه الموصلات تتميز بالقدرة الكبيرة والعالية بالتفريق بين طاقات الجسيمات الساقطة، كما من الممكن أن تقوم بتصميم معين للتعرف على اتجاه سقوط الشعاع ويتم استخدامها في البحوث.
• بعدد كبير من البحوث العلمية كدراسة طيف الأشعة التي تكون تحت الحمراء، والتحليل الفلوري للأشعة السينية وأيضاً بدراسة الجسيمات الأولية ويقوم استخدامها أيضاً في بناء المكشاف أطلس.
• الذي يكون تابع إلى مصادر الهدرونات الكبير، إن مكشاف شبه الموصلات يتم استخدامه للمجسات الضوئية ومكشاف ات بيكسل في كاميرات رقمية، ومن الممكن أن يتم تصنيع كثير من الملايين منها.

كيفية التطعيم في أشباه الموصلات

• التطعيم بالإلكترونات عبارة عن عملية تكون مصنعية، تعمل على تحويل نبيضة شبه الموصل من أنها شبه موصل داخلي لتكون شبه موصل خارجي وهذا عن طريق إضافة كمية قليلة من المادة.
• مادة غنية بالإلكترونات أو يكون عن طريق إضافة المادة الناقصة بالإلكترونات، وتدعى هذه الأخيرة بفجوة إلكترونية، إن الكهرباء تقوم بالتحرك في النبيطة بحركة الإلكترونات.
• التي تكون سالبة الشحنة وتحرك الفجوات التي تكون موجبة الشحنة، ويتم استخدام الزرنيخ غاليوم الثلاثي النقي كأنه حامل للإشابة فإنه يكون شبه موصل وعندما يتم إضافة كمية قد تكون قليلة.
• من مادة تكون مانحة وتحتوي على خمس إلكترونات كالفسفور أو الزرنيخ أو الأنتيمون أو غيرها من العناصر التي تكون موجودة بالمجموعة الخامسة في الجدول الدوري إلى السيليكون النقي.
• ثم بعدها تصبح بلوراته مشوبة أو مطعمة في هذا الحين ببلورة شبه موصل سالب، أما إذا تمت الإضافة للبلورة النقية مادة متقلبة تكون من العناصر التي تكون موجودة في المجموعة الثالثة وتكون.
• ذراتها محتوية على ثلاثة من الإلكترونات فعندها سوف يتم تشكيل الإلكترونات الثلاثة رابطة تكون تساهمية مع إلكترونات الذرات التي تكون مجاورة وتظل الرابطة الرابعة غير مكتملة.
• تكون غير مكتملة تماماً هذه الرابطة مما يكون من المحتمل أن تؤدي إلى تكون الفجوة الإلكترونية، التي تدعى بالبلورة ويكون من هذا النوع بلورة شبه موصل موجب، والتركيب الذري مهم.

ها قد أوضحنا كل ما يتعلق في موضوع التركيب الذري للمادة والمواد الموصلة والعازلة وتصنيفها، ومعرفة الموصلات الكهربائية وأشهر المعادن الموصلة للتيار الكهربي وكواشف أشباه الموصلات الكهربائية.