Konduktado (elektro)

Elektra konduktado estas movado de ŝargitaj partikloj tra materialo responde al elektra kampo. La subkuŝa mekanismo de tiu ĉi movado dependas de la materialo mem.

Ordinare, konduktado bone priskribiĝas per la Leĝo de Omo, kiu diras ke la kurento estas proporcia al la aplikita elektra kampo. La facileco kun kiu kurenta denso (kurento je areo) j fluas en materialo mezuriĝas per la konduktiveco σ kiu difiniĝas kiel:

j = σ E

aŭ ĝia inverso elektra rezistivo ρ, kiu difiniĝas kiel:

j = E/ ρ

En neizotropaj materialoj, σ kaj ρ estas tensoroj.

Solidaĵoj

En kristalaj solidaĵoj, atomoj interagas kun siaj najbaroj, kaj la energiaj niveloj de la elektronoj de izolaj atomoj iĝas bendoj. Ĉu materialo konduktas ĉu ne determiniĝas de sia benda strukturo. Elektronoj, estantaj fermionoj sekvas la Pauli-an principon de ekskludo, signifantan ke du elektronoj ne povas okupi la saman staton. Tiel elektronoj en solidaĵo plenigas la energiajn bendojn ĝis certa nivelo, nomita la Fermia nivelo. Bendoj kiuj estas tute plenaj de elektronoj ne povas kondukti elektron, ĉar ne estas stato kun proksima energio al kiu tiuj elektronoj povas salti. Materialoj en kiuj la bendoj estas plenaj (t.e. la Fermia energio estas inter du bendoj) estas izolaĵoj.

Metaloj

Metaloj estas bonaj konduktantoj ĉar ili havas neplenan spacon en la valenta bendo. Manke de elektra kampo, ekzistas elektronoj veturantaj laŭ ĉiuj direktoj kaj kun multaj malsamaj rapidoj ĝis la Fermi-a rapido (la rapido de elektrono ĉe la Fermia energio). Kiam elektra kampo aplikiĝas, eta malekvilibro ekiĝas kaj kurento fluas. Elektronoj en tiu ĉi bendo povas akceli per tiu kampo ĉar estas abundaj apudaj statoj sur la bendo.

Rezistanco okaziĝas pro dispersado de difektoj en la latiso aŭ pro fononoj. Kruda teorio de konduktado en simplaj metaloj estas la Druda modelo, en kiu dispersado karakteriĝas de modera tempo τ. La konduktadon donas la ekvacio:

$\sigma ={\frac {ne^{2}\tau }{m}}$

kie n estas la denseco de konduktataj elektronoj, e estas la elektrona ŝargo, kaj m estas la elektrona maso. Pli bona modelo estas la tiel-nomita duonklasika teorio, en kiu la efiko de perioda potencialo de la latiso sur la elektronoj donas al ili efektivan mason.

Duonkonduktaĵoj

Solidaĵo kun plenaj bendoj estas izolaĵo, sed ĉe finia temperaturo, elektronoj povas termike ekscitiĝi de la valenta bendo al la sekva pli alta, la kondukta bendo. La frakcio de elektronoj ekscititaj laŭ tiu ĉi maniero dependas de la temperaturo kaj la bendbreĉo, la energia diferenco inter la du bendoj. Ekscitado de tiuj ĉi elektronoj en la konduktan bendon postlasas pozitive ŝargitajn truojn en la valenta bendo, kiu ankaŭ povas kondukti elektron. Vidu duonkonduktaĵon por pliaj detaloj.

En duonkonduktaĵo, malpuraĵoj efikas la koncentreco kaj tipo de ŝargportantoj. Donantoj (n-tipaj) malpuraĵoj havas ekstrajn valentajn elektronojn kun energioj tre proksimaj al la kondukta bendo kiuj facile povas ekscitiĝi al la kondukta bendo. Akceptantoj (p-tipaj) malpuraĵoj kaptas elektronojn de la valenta bendo, allasante la facilan formadon de truoj. Se izolaĵo dopiĝas per sufiĉaj malpuraĵoj, Motta transiro okazas, kaj la izolaĵo fariĝas konduktanto.

Superkonduktantoj

En metaloj kaj certaj aliaj materialoj, transiro okazas ĉe malaltaj temperaturoj al la superkonduktiva stato. Per interago peritaj de alia parto de la sistemo (en metaloj, fononoj), la elektronoj pariĝas al Cooper-aj paroj. La bosonaj paroj formas superfluidon kiu havas nulan rezistancon.

Elektrolitoj

Elektraj kurentoj en elektrolitoj estas fluoj de elektre ŝargitaj atomoj (jonoj). Ekzemple, se elektra kampo lokiĝas ĉirkaŭ solvo de Na⁺ kaj Cl^–, la natriaj jonoj movigas al la negativa elektrodo (katodo), kaj la kloraj jonoj moviĝas al la pozitiva elektrodo (anodo). Se kondiĉoj estas ĝustaj, redoksa reakcio okaziĝas, kiu delasas elektronon de la kloro, kaj ebligas ke elektronoj ensorbiĝi en la natrio. En akva glacio kaj en certaj solidaj elektrolitoj, fluantaj protonoj konstituas la elektran kurenton.

Gasoj kaj Plasmoj

En neŭtralaj gasoj, elektra konduktado estas tre malalta. Ili agas kiel dielektriko aŭ izolaĵo, supren ĝis la elektra kampo atingas la disrompan grandon, kiu senigas elektronojn de la atomoj, kiu tiel formas plasmon. Tiu ĉi plasmo ebligas konduktadon de elektro, formante sparkon, lumarkon, aŭ fulmon. En ordinara aero sub la rompiĝa kampa grando, la ĉefa fonto de elektra konduktado estas tra moveblaj partikloj de akvo, kiuj kunportas elektran ŝargon kiu formas kurenton.

Plasmo estas stato de materio, kie kelkaj el la elektronoj seniĝas de iliaj molekuloj aŭ atomoj kaj la gaso "joniĝas". Plasmo povas formiĝi pro alta temperaturo, au pro aplikado de elektra kampo kiel notita ĉi-supre. Elektra konduktado en plasmo rezultas de la movado de elektronoj kaj de pozitivaj jonoj.

Vidu ankaŭ

• Leĝo de Omo