Conductori electronici si ionici

Conductori electronici si ionici

Conductorii electronici sunt in general metalele in stare solida sau topita, aliajele si unii compusi metalici. Conductia electronica apare prin deplasarea ordonata a electronilor, in timp ce ionii pozitivi de la care au provenit ocupa pozitii fixe. Conductia

electronica poate fi caracterizata cantitativ cu ajutorul conductantei specifice, numita si conductivitate. Potrivit legii lui Ohm, rezistenta electrica, R, reprezinta raportul dintre diferenta de potential aplicata, U, si curentul care a rezultat, I:

R U/ I (9)

si se masoara in ohm (W

Rezistenta electrica a unui corp depinde de lungimea lui, x, si de suprafata sectiunii acestuia S. (cand sectiunea este constanta). Constanta de proportionalitate, dependenta de natura materialului, este numita rezistenta specifica sau rezistivitate:

Valoarea inversa a rezistentei este numita conductanta, iar valoarea inversa a rezistivitatii, este numita conductivitate sau conductanta specifica:

      (11)

Din analiza relatiilor de definitie rezulta dimensiunile rezistivitatii si ale conductivitatii: . Unitatea W este uneori denumita mho (inversul lui ohm) sau siemens.

Conductorii electronici au rezistivitati cuprinse intre 10^-8 si 10^-5 Wm, in comparatie cu izolatorii care au rezistivitati c> Wm.

Cresterea temperaturii conduce la scaderea conductivitatii conductorilor electronici datorita cresterii agitatiei "gazului electronic".

Conductorii ionici (numiti si conductori de speta a doua), sub forma solutiilor sau topiturilor de electroliti, se formeaza fie prin disocierea electrolitica a unor substante polare (substante ionogene ca HCl, CH COOH etc.) la dizolvarea in solventi polari (de exemplu apa), fie prin dizolvarea unor substante solide cu structura ionica (ionofori ca NaCl, KNO₃ etc) sau prin topirea acestora. Electrolitii sunt considerati tari cand sunt complet disociati, sau slabi, cand sunt numai partial disociati. Impartirea electrolitilor in cele doua categorii are un caracter relativ intrucat chiar si speciile disociate interactioneaza intre ele, asa cum a rezultat din modelul Debye - Hckel. La concentratii mai mari se formeaza "perechi de ioni" sau chiar agregate superioare.

Spre deosebire de conductorii electronici, in care densitatea purtatorilor de sarcina (electronii) este o caracteristica intrinseca a materialului, pentru conductorii ionici sub forma de solutii densitatea purtatorilor de sarcina poate fi modificata prin schimbarea concentratiei.

In plus, transportul curentului electric printr-o solutie de electrolit este asigurat atat de catre ionii pozitivi, cat si de catre cei negativi. Transportul ionilor intr-o solutie de electrolit se produce fie datorita existentei unui gradient de concentratie, fie datorita aplicarii unei diferente de potential, fie ambelor solicitari.

Pentru a pune in evidenta caracteristicile conductoare ale solutiilor diferitilor electroliti este necesara mai intai o standardizare a concentratiei. Conductivitatea masurata la diferite concentratii trebuie sa fie convertita intr-o marime referitoare la o concentratie unitara. Raportul dintre conductivitate si concentratia molara, numit conductivitate molara, permite comparatia dintre conductivitatile solutiilor diferitilor electroliti la aceeasi concentratie. Conductivitatea molara se defineste ca:

      (12)

unde C_m este concentratia molara a electrolitului, iar factorul 1000 converteste concentratia molara din mol/L in unitati SI (mol/m³).

Deoarece proprietatile conductoare ale unei solutii de electrolit sunt dependente atat de concentratiile ionilor cat si de sarcinile lor, o proprietate standardizata si din punctul de vedere al valentei ionilor este conductivitatea echivalenta, definita ca:

      (13)

unde C_e reprezinta concentratia normala (in echivalenti gram la litru de solutie). [C_e p C_m unde p este produsul dintre valenta unui ion, z, si numarul de ioni din formula electrolitului].

In lipsa interactiilor dintre ioni, conductivitatea echivalenta ar trebui sa fie o constanta caracteristica fiecarui sistem. S-a constatat experimental ca, pentru solutiile diluate de electroliti tari, conductivitatea echivalenta scade odata cu cresterea concentratiei, dupa o lege de forma:

      (14)

Prin extrapolarea valorilor lC la concentratie nula (cand interactiile interionice se anuleaza), se obtin conductivitatile echivalente la dilutie infinita, l . Acestea sunt proprietati intrinseci ale purtatorilor de sarcini si se gasesc tabelate pentru ionii individuali in solutii apoase la temperatura de 25⁰C. Ele sunt utilizate la calculul altor proprietati de transport ale solutiilor de electroliti.

Dependenta de temperatura a conductivitatii solutiilor de electroliti este de asemenea diferita de cea a conductorilor electronici: cresterea temperaturii conduce la cresterea conductivitatii solutiilor diluate de electroliti dupa o lege empirica de forma:

      (15)

Transportul ionilor in solutii poate avea loc atat datorita aplicarii unui camp electric, cat si datorita existentei unui gradient de concentratie. In primul caz transportul este numit migratie, iar in cel de al doilea caz, difuzie. Difuzia particulelor neutre este descrisa de legile lui Fick. Pentru ioni aceste legi trebuiesc modificate pentru a se tine seama si de gradientul de camp electric indus de un gradient de concentratie. Cele doua mecanisme de transport pot

avea loc separat sau impreuna.

Conductia electronica si cea ionica sunt doua mecanisme extreme care pot fi intalnite si impreuna, cooperand la transportul curentului electric.