Vodič prvej triedy

Vodič prvej triedy (tiež elektrónovo vodivá látka)^[1] je chemická látka, ktorá je schopná viezť elektrický prúd pohybom elektrónov.^[2] Schopnosť viezť elektrický prúd vodičom prvej triedy je daná prítomnosťou voľných (neviazaných) elektrónov.^[2] Priechodom elektrického prúdú cez vodič prvej triedy nedochádza ku chemickej zmene vodiča.^[2] Odpor vodiča prvej triedy vzrastá so vzrastajúcou teplotou,^[2] pretože termálny pohyb atómových jadier znemožňuje rovnú trajektóriu elektrónov vo vodiči. Medzi vodiče prvej triedy patria všetky kovy, niektoré oxidy a sulfidy kovov a niektoré nekovy (grafit).^[2]

Kovy

Kovy sú pevné látky, i.e. fázy, ktoré tvoria niektoré chemické prvky.^[1] Vodivostný pás kovov je čiastočne obsadený elektrónmi aj pri teplote absolútnej nuly T = 0 K.^[1] Z Fermiho Diracovej funkcie F(E) vyplýva, že najvyššie obsadenou hladinou pri bode absolútnej nuly je Fermiho hladina E_F.^[1] Kovy sa vyznačujú vysokou (10²²cm^-3) hustotou obsadených elektrónových stavovov vodivostnom páse, čoho dôsledkom je vysoká špecifická vodivosť kovov.^[1] Špecifická vodivosť kovov je určená len pohyblivosťou voľných elektrónov elektrónového plynu.^[1]

Vo výskume sa používajú elektródy z pevných kovov ako platina, zlato, striebro a meď vo forme monokryštálov, resp. sa používa kvapalný kov ortuť.^[1] V technológiách sa používajú lacnejšie kovy ako lítium, striebro, zinok, kadmium, ortuť, nikel, olovo alebo titán.^[1]

Kovy majú typické vlastnosti, medzi ktoré patrí:

dobrá tepelná vodivosť, ktorá súvisí s dobrým prenosom kmitov jadier z jednej časti kovu na druhú,
dobrá elektrická vodivosť, ktorá súvisí s tým, že že zdieľané elektróny elektrónového plynu kovu sa môžu ľaho, už vplyvom slabého elektrického poľa, premiestňovať v mriežke kovu,
dobrá kujnosť - schopnosť vytvoriť (vykovať) tenkú fóliu (viď alobal - hliníková fólia: hliník vykovaný na tenkú vrstvu),
dobrá ťažnosť - schopnosť kovov vytvoriť (vytiahnuť) tenký drôt (viď elektrické vodiče),
kovový lesk - schopnosť kovov odrázať (neabsorbovať) viditeľné svetlo,
vysoké teploty topenia a varu - vyplývajú zo silných medziatómových síl (silných kovových väzieb).^[3]

Osobitnou skupinou vodičov prvej triedy sú polovodiče, ktoré síce nemajú vo svojej štruktúre voľné elektróny, ale dodaním energie zvonka (teplom, svetlom) je možné excitovať elektróny (a tým ich uvoľniť) do energeticky vyššieho pásu (vodivostného pásu).^[2]

Elektrónovo vodivé polyméry

Zvláštnou skupinou vodičov prvej triedy sú elektrónovo vodivé polyméry. Najznámejšími elektrónovo vodivými polymérmi sú rôzne alotropické modifikácie uhlíka ako grafit, fulerény a sklený uhlík.^[1] Diamant je izolant.^[1] Grafit vykazuje vďaka svojej vrstevnatej štruktúre anizotropiu elektrickej vodivosti, sklený uhlík izotropiu elektrickej vodivost, vďaka čomu je široko vzužívaný v laboratóriách a priemysle.^[1]

Pásová teória pevných látok

Viac informácií: Pásová teória pevných látok

Vlastnosti vodičov prvej triedy vyplývajú z pásovej teórie pevných látok.^[1] Energetické hladiny elektrónov v izolovaných atómoch majú podľa kvantovej mechaniky diskrétne hodnoty.^[1] Kryštál pevnej látky má však odstránenú degeneráciu, čím vzniká pás energetických hladín, pretože elektróny pevnej látky každého atómu interagujú so všetkými jadrami pevnej látky, pričom počet hladín daného pásu energetických hladín je daný počtom atómov.^[1] Podľa Pauliho vylučovacieho princípu pre fermióny môže byť každá z hladín pásu obsadená maximálne dvoma elektrńmi s opačným spinom. ^[1]

Pravdepodobnosť obsadenia danej hladiny s energiou E jedným elektrónom je opísaná Fermiho Diracovou funkciou F(E):^[1]

$F(E)={\frac {1}{1+\exp({\frac {E-E_{F}}{k_{B}T}})}}$

E_F je Fermiho energia, k_B je Boltzmannova konštanta, R je univerzálna plynová konštanta, N_A je Avogadrova konštanta a T je termodynamická teplota.^[1]

Hustota obsadených stavov n(E)dE s energiou medzi E a E + dE je súčinom hustoty stavov n₀dE a funkcie F(E).^[1]

Vodivostný pás je najvyšší energetický pás, ktorý je obsadený elektrónmi za danej teploty.^[1]

Valenčné pásy sú energetické pásy s nižšou energiou ako vodivostný pás.^[1]

Pozri aj

Referencie

↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m ⁿ ^o ^p ^q ^r ^s ^t SAMEC, Zdeněk. Elektrochemie. 1. vyd. Praha : Karolinum, Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy, 1999. ISBN 80-7184-948-0.
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f NOVÁK, Josef. Fyzikální chemie Bakalářský kurz. dotlač 1.. vyd. Praha : VŠCHT, 2015. ISBN 978-80-7080-559-6.
↑ FIŠER, Jiří; ZEMÁNEK, František. Struktura látek. 1. vyd. Praha : Karolinum Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy, 1994. ISBN 80-7066-930-6.

[:1-1] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m ⁿ ^o ^p ^q ^r ^s ^t SAMEC, Zdeněk. Elektrochemie. 1. vyd. Praha : Karolinum, Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy, 1999. ISBN 80-7184-948-0.

[:0-2] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f NOVÁK, Josef. Fyzikální chemie Bakalářský kurz. dotlač 1.. vyd. Praha : VŠCHT, 2015. ISBN 978-80-7080-559-6.

[3] FIŠER, Jiří; ZEMÁNEK, František. Struktura látek. 1. vyd. Praha : Karolinum Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy, 1994. ISBN 80-7066-930-6.

[1]

[2]

[3]