المقدمة :
الطاقة هي المحرك الأول والأعظم والأشمل الخفي لهذا الكون ,فالطاقة هي مصدر القوة , والقوة تنتج شغلا .
والقوة هي : كل ما اثر في الجسم فأعطاه حركة ات سرعة متزايدة بانتظام مثال ذلك الجسم الساقط من مكان مرتفع للاسفل فالقوة المؤثرة علية هي الجاذبية الارضية وهو بدأ حركته من السكون أي عند سرعة تساوي الصفر ولكن بفعل تاثير قوة الجاذبية الارضية تزايدت سرعته كل ثانية بمقدار واحد ولكن الفوة المبذولة لاسقاط الجسم تكون مضاعفة اذا تضاعف حجم كتلة الجسم ومن هنا وضع القانون للقوة وهي تعادل حاصل ضرب كتلة الجسم في سرعته .
الشغل : هو المجهود الذي تبذله قوة في تحريك جسم مسافة معينة ويقاس الشغل بحاصل ضرب القوة في المسافة .
واتصلت مظاهر الطاقة الاولى كلها بالحركة فسميت بالطاقة الحركية , كما ان الحركة طاقة فان الحرارة طاقة ايضا واثبت هذه النظرية العالم الانجليزي الفيزيائي جول ( 1818-1889) وهو الذي اثبت ان المقدار الواحد من الحركة اذا تحول الى حرارة انتج مقدار من الحرارة , اذن تمت المطابقة بين الحركة والحرارة من حيث التحول كيفا وكما ولا يتحول شيء من شيء الى شيء الا ان يكونا من طبيعة واحدة . فالحرارة اذن طاقة تصنغ شغلا كالحركة تماما . وبنفس الطريقة اثبت العالم جول في العام 1840 ان التيار الكهربائي المتحرك في سلك والذي لا يبذل أي شغل يتحول الى حرارة مقدارها يحمل نسبة ثابته الى مقدار الكهرباء المستهلكة .
وتعد الكهرباء مهمة جدا في حياتنا اليومية وتنقسم المواد من حيث قابليتها لتمرير التيار الكهربائي الى ثلاث اقسام رئيسية وهي :
المواد الموصلة Conductors
المواد العازلة Insulators
المواد شبة الموصلة semiconductors . ( اشباه الموصلات )
ويرجع الاختلاف بين المصلات والعوازل واشباه الموصلات الى عدد الكترونات المتوفرة في كل مادة ويمكن تفسير هذا الاختلاف من خلال نظرية نطاقات الطاقة في المواد الصلبة .
الموضوع :
يتم التوصيل في المواد الصلبة وتتأثر كفاءته عن طريق عدد الالكترونات الموجودعلى مدار التاكفؤ ولتفسير ذلك ندخل لتفسير نظرية نطاقات الطاقة في المواد الصلبة .
( نظرية نطاقات الطاقة في المواد الصلبة ) ( Band Theory of Solids ) :
في الذرة المفردة وفقا لنظرية الكم تحتل الالكترونات مستويات محددة الطاقة على المدارات المحيطه ونظرا قوة الجذب على مدارات الذرة فانه لا يمكن لاي الكترون ان يبقى في فجوة بين أي مستوى للطاقة ومستوى اخر . وتنقسم القوة بين مدارات الذرة بحيث يكون اقلها قوة هو المدار الاول الاقرب للنواة وكلما ابتعدنا عن النواة كلما زادت طاقة المدار وعندما تتجمع الذرات لتشكل كتلة صلبة او بلورة فان الالكترونات تتاثر بقوة , فتتجمع النوى ونتيجة لذلك تتداخل مستويات الطاقة لكل ذرة مع مستويات الطاقة للذرات الاخرى في البلورة وينتج عن ذلك احزمة او نطاقات او اشرطة للطاقة (Band Energy) ويحتوي كل نطاق مجموعة من مستويات الطاقة المتقاربة التي تكون الفروق بينها صغيرة جدا وتفصل نطاقات الطاقة عن بعضها البعض بما يسمى بالفجوات وهي عبارة عن نطاقات الطاقة غير مسموح للالكترونات الدخول اليها (Forbidden energy bands) وطريقة توزيع نطاقات الطاقة واتساع الفحوات بينها تحدد الخاصية الكهربائية للمادة .
الالكترونات في المستوى الاخير تسمى الكترونات التكافؤ وعند تكون نطاقات الطاقة في البلورة ( الكتلة الصلبة ) وقد سمي النطاق الخارجي بنطاق التكافؤ (Valence band) يعلوه نطاق التوصيل (Conduction band) الكترونات التكافؤ في المادة الصلبة يكون لها مدى معين من الطاقة وهذا المدى هو الذي يتكون منه نطاق التكافؤ .
في المواد الموصلة نطاق التكافؤ مملوء بالالكترونات بينما يكون نطاق التوصيل فارغ او مملوء جزائيا بالالكترونات عند درجة الحرارة العادية . وتكون الفجوة بين نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ صغيرة جدا . وهكذا تتميز المواد الموصلة بقدرتها على التوصيل اما في المواد العزلة يكون عدد الالكترونات الحرة فيها قليل ويكون نطاق التكافؤ مملوء بالالكترونات ونطاق التوصيل خالي تماما منها وتكون الفجوة بينهما كبيرة جدا وبهذا لا يمكن للالكترونات بالانتقال من نطاق التكافؤ الى نطاق التوصيل في درجات الحراة العادية لانه يلزمها مقدار كبير من الطاقة لتحرير الالكترونات وانتقالها نظرا لكبر الفجوة . اما في اشباه الموصلات فتكون قريبة الشبة في توزيع الذرات من المواد العازلة حيث ان نطاق التكافؤ مملوء في حين نطاق التوصيل فارغ لكن تكون الفجوة بينهما صغيرة نسبيا وعند رفع درجة حرارة المادة فانها تكتسب طاقة تمكن الكتروناتها من التحرر والانتقال من نطاق لاخر فتزيد من قدرتها على التوصيل .
الخاتمة :
يعتمد التوصيل في المواد الصلبة على عدد الالكترونات في الذرة وعلى الفجوة بين نطاقي التكافؤ والتوصيل .
تتشابة المواد العازلة مع المواد شبة الموصلة في عدد الالكترونات وتوزيعها وتختلف في حجم الفجوة بينهما