Tehnologija visokonaponske izolacije

1. Vodljiva zona Zabranjena zona Vodljiva zona Vodljiva zona Raspodjela elektronana Valentna zona Tehnologija visokonaponske izolacije Valentna zona Valentna zona Izolator Vodič Poluvodič Tema: Električna vodljivost Priredio: Prof. Dr. Kemo Sokolija

2. Električna vodljivost dielektrika Sadržaj: A) Hemijsko vezivanje B) Razlika između vodiča, poluvodiča i izolatora C) Elekronska vodljivost metala – Drudeov model D) Osobenosti električne vodljivosti izolacijskih materijala

3. A) Hemijsko vezivanje • Zašto vezivanje? • Atominastoje postići osobito stabilnu konfiguraciju elektrona (konfiguraciju koja omogućuje postizanje maksimalne energije vezivanja) za njihove vanjske elektrone. formiraju ioneili molekule. • Najstabilnija konfiguracijaza vanjske elektrone je konfiguracija plemenitog gasa (oktetna struktura) • Strategije za postizanje stabilnijekonfiguracije: • razdavati elektrone • prihvatati elektrone • dijeliti elektrone • Hemijska veza se formira kad je to energetski povoljnije, tj. kad je energijavezanih atoma manja od energija odvojenih atoma.

4. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) • Zašto vezivanje? • Veličine koje igraju ulogu u hemijskom vezivanju: • energija ionizacije (energijapotrebna da se elektron odvojiod neutralnog atoma) • elektronski afinitet (promjena energije koja se dogodi kada neutralni atom privuče elektron da bi postao negativni ion) • Elektronegativnost (sposobnost atomau molekuli da k sebi privučevezujuće-valentne elektrone) • Vrste veza: • Ionska veza • kovalentnaveza • metalskaveza

5. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Formiranje hemijskih veza • Kako bi se popunila njegova krajnja vanjska (valentna) ljuska, atom može izgubiti ili dobiti dovoljno elektrona, nakon čega on postaje ion. • Ionska vezajerezultat djelovanja sile privlačenja između pozitivnih i negativnih iona. • Kako bi se popunila njegova krajnja vanjska (valentna) ljuska, atom može dijeliti elektrone s jednim ili više drugih atoma. • Kovalentna vezaje rezultatatdjelovanja sile privlačenja između dva atoma koji dijele jedan ili više parova elektrona.

6. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) • Elektroni koji se nalaze u krajnjoj elektronskoj ljusci nazivaju se valentnielektroni. • Ljuska koja sadrži elektrone što su najudaljeniji od jezgre naziva se valentna ljuska. Valentni elektroni

7. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Pravila u vezi s elektronima • Prva elektronska ljuska može sadržavati maksimalno 2 elektrona • 2. Sve druge ljuske mogu sadržavati maksimalno8 elektrona (ima izuzetaka) • Atom je najstabilnijikada valentna ljuska sadrži svih OSAM elektrona = OKTETNOPRAVILO

8. 8 A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Oktetno pravilo Atomi teže dobivati, gubiti ili dijeliti elektrone sve dok ne steknu osam valentnih elektrona. Tako biva popunjena valentna ljuska što atomu daje stabilnost kakvu imaju inertni gasovi. SAMOs-ip-orbitalisadrževalentneelektrone.

9. Oktetnopravilo A) Hemijsko vezivanje (nastavak) • Plemeniti gasovi, grupa 8A, ne reagiraju s drugim elementima. • Opisani su kao “stabilni”, “inernit”, ili “neaktivni”. • Najudaljeniji “s” i “p” podnivoi su im potpuno popunjeni s 8 elektrona, zadovoljavajući oktetnopravilo. Ne

10. Krajnja elektronska ljuska (može sadržavati najviše 8 elektrona) Prva elektronska ljuska (može sadržavati najviše 2 elektrona) Elektron VODIK (H) Atomski broj =1 UGLJIK (C) Atomski broj = 6 AZOT (N) Atomski broj = 7 KISIK (O) Atomski broj = 8 Oktetno pravilo: Atomi teže dobivati i gubiti elektrone od drugih atoma, kao i dijeliti ih s drugim atomima, na način da u vanjskoj ljusci imaju osam elektrona.  C bi želio dobiti: 4 elektrona  N bi želio dobiti: 3 elektrona  O bi želio dobiti: 2 elektrona

11. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Elektronegativnost Elektronegativnost predstavlja sposobnost danog atoma da privuče elektrone  Ona raste idući s lijeva na desno i odozgor prema dolje u periodičkoj tablici elemenata (isključujući plemenite gasove) • Fluor je najelektronegativniji atom Porast elektronegativnosti Porast elektronegativnosti

12. Elektronegativnostielemenata Elektronegativnost

13. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Kristalna struktura Kation A Mnogo atoma Elektroni prešli od atoma A na atome B Anion B Ionsko vezivanje Atomi B Atomi A Kovalentno vezivanje Elektronski par podijeljen između atoma C i atoma D Atom C Atom D Atom D Atom C Dva atoma Molekula

14. atomi atomi PREMJEŠTANJE ELEKTRONA DIJELJENJE ELEKTRONA pozitivan ion negaitivan ion molekula Ionska veza Kovalentna veza

15. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Kovalentne veze • Dva atoma dijele jedan ili više parova elektrona. Kovalentne veze

16. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Kovalentne veze

17. Kovalentne veze – Dva atomadijele jedan ili više parova elektrona koji se nalaze u vanjskoj ljusci. Atom kisika Atom kisika Molekula kisika (O2)

18. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Polarne i nepolarne molekule • U polarnoj molekuli je jedan kraj molekule blago pozitivan, a drugi kraj blago negativan. • Električki nabijeni regioni nazivaju se polovima. • Molekula koja ima dva pola naziva se dipolarna molekula ili dipol. • Efekt polarnih veza na polarnost molekule ovisi o njezinom obliku. • CO2 • H2O

19. POLARNA MOLEKULA Polarna kovalentna veza Elektrone jače privlači Cl nego H NEPOLARNA MOLEKULA Nepolarna kovalentna veza Elektroni su jednako privlačeni

20. POLARNEKOVALENTNEVEZE NASTAJU KAD SE ZBOG RAZLIKA U ELEKTRONEGATIVNOSTI ELEKTRONI IZMEĐU ATOMADIJELENEJEDNAKO H2O

21. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Polarna kovalentna veza Razlika: 1.4

22. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Voda O atom: ima šest valentnih elektrona, tako da i on ima nepopunjenu valentnu ljusku H atomi: svaki atom ima jedan valentni elektron, tj nepopunjenu valentnu ljusku Molekula H2O: dijeleći elektrone postiže se da svaki atom ima popunjenu valentnu ljusku

23. Voda - voda je polarnamolekula budući da jekisik elektronegativnijiod vodika, tako da elektroni bivaju privučeni bliže kisiku.

24. NEPOLARNEKOVALENTNE VEZE nastaju kad suelektronipodijeljeni jednako H2ili Cl2

25. Nepolarna kovalentna veza Razlika: 0.0

26. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Nepolarna kovalentna veza Kisik Ugljik Kisik Električni naboji u nepolarnom CO2 su ravnomjerno raspoređeni

27. Polarna i nepolarna kovalentna veza Polarna kovalentna veza Elektrone jače privlači Cl nego H Nepolarna kovalentna veza Elektroni su jednako privlačeni

28. Polarnekovalentne veze: Neujednačena raspodjela, ali postoji volja da se plijen dijeli. Polarno kovalentno vezivanje

29. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Ionsko vezivanje • Jedan ili više elektrona prvog atoma prelazi i veže se u drgom atomu, što rezultirastvaranjem pozitivnog iona (kation) i negativnog iona (anion) koji se privlače. Elektrostatsko privlačenje

30. Ionska veza: transfer elektrona

31. Ion natrija Na+ e- e- e- e- 11p+ e- e- e- e- e- e- Formiranjekationa Atom natrija Na e- e- e- e- e- e- Gubitak jednog valentnog elektrona 11p+ e- e- e- e- e- e-

32. Ion hlora Cl1- e- e- e- e- e- e- e- e- 17p+ e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- Formiranjeaniona Dobitak jednog valentnog elektrona Atom hlora Cl e- e- e- e- e- e- e- e- 17p+ e- e- e- e- e- e- e- e- e- e-

33. Ion natrija Na+ e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- 11p+ e- e- 17p+ e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- Formiranjeionske veze Ion hlora Cl1-

34. Elektrostatsko privlačenje

35. Atom natrija Atom hlora Ion natrija Ion hlora Natrijhlorid NaCl Ionska veza– valentni elektron atoma Na prelazi u atom Cl, što dovodi do debalansa naboja u svakom od atoma. Atom Na postaje (Na+), a atom Cl postaje(Cl-), nabijene čestice koje se nazivaju ioni.

36. Kristalna rešetka natrijhlorida

37. Ion natrija (Na+) Ion hlora (Cl-)

38. Ionske veze: Jedan veliki grabljivi pas! Ionsko vezivanje

39. Kovalentna jedinjenja Ionska jedinjenja • Gasovi,tekućine ili čvrsta • tijela •  Niska temperatura • topljenja i ključanja •  Loši vodiči struje • Mnogi rastvorljivi u • nepolarnim tekućinama, • ali ne i u vodi  Čvrsti kristali  Visoka temperatura topljenja i ključanja  Kad se rastale vode električnu struju Mnogi rastvorljivi u vodi,ali ne i u nepolarnim tekućinama

40. Metalske veze • Treća vrsta hemijskih veza jemetalska veza. • Svojstva metala : • Vodiči električne strujei topline • Blistavi • Toplljivi • Kovki Metali

41. A) Hemijsko vezivanje (nastavak) Metalske veze • Formiraju se između atoma metalnih elemenata • Oko atomskih jezgri se formira elektronski oblak koji ne pripada niti jednom atomu Pozitivni ioni metala Elektronski oblak koji ne pripada niti ijednom ionu metala

42. Elektronsko more Svi atomi metalaimaju ISTI afinitet prema valentnim elektronima. To elektronima omogućuje: ** da se slobodno kreću od jednog do drugog atoma ** Za elektronekažemo da su“delokalizirani”jer NISU vezani niti za jednu lokaciju –“elektronsko more.” Elektroni nisu vezani niti za jedan određeni atom i slobodno se kreću u metalima.

43. Metalske veze : Dobroćudni psi i mnogo kostiju unaokolo. Metalsko vezivanje

44. B) Razlika između vodiča, poluvodiča i izolatora • (a) Nosici naboja, kao što su to elektroni, sudaraju se s atomoma ili defektima i kroz vodič kreću nepravilnim stazama. Srednja brzina njihovog kretanja jednaka je v. • (b) Valentni elektroni se kroz metal kreću veoma lahko. • (c)Da bi se elektroni kretali kroz poluvodiče i izolatore potrebno je raskinuti kovalentne veze što ih drže vezanim za atome. • (d) U mnogim materijalima u kojima su prisutne ionske veze, nosioci naboja su sami ioni. Atom Elektron

45. B) Razlika između vodiča, poluvodiča i izolatora (nastavak) Pokretljivi elektroni • Pod djelovanjem vanjskog utjecaja biva pokrenut prvi elektron; kad krene prema svojim susjedima, oni ga ne žele nego od njega bježe; tako nastaje lančana reakcija (efekt domina) koji se kroz materijal širi brzinom svjetlosti. • Valentni elektroni (oni što se nalaze u posljednjoj elektronskoj podljusci) bakra slobodno se kreću kroz bakarnu žicu. • Za razliku od bakra, atomi izolacijskih materijala na svoje vanjske elektrone gledaju onako kako dobri roditelji gledaju na svoju djecu.

46. B) Razlika između vodiča, poluvodiča i izolatora(nastavak) • Bakar i drugi metali su “loši roditelji” za svoje vanjske ili valentne elektrone; tako se djeca lahko nađu na “ulici” uznemirujući komšiluk. • Elektroni u krajnjoj ljusci atoma nazivaju se valentni (moćni) elektroni, oni diktiraju prirodu hemijskih reakcija atoma i u mnogome determiniraju električku narav materijala.

47. B) Razlika između vodiča, poluvodiča i izolatora (nastavak) • Vodiči (većina metala) su elementi hemijskog sistema čiji su vanjski elektroni slabo vezani za jezgru, tako da se slobodno kreću kroz materijal. • Za razliku od njih, kod većine nemetala su vanjski elektroni čvrsto vezani za jezgru, tako da je , na radnim vrijednostima priključenog napona, tok elektrona (električna struja) kroz njihjednak nuli. • Kod materijala što spadaju u grupu poluvodiča, na temperaturama višim od apsolutne nule, postoji izvjesna vjerovatnost da elektroni napuste svoje pozicije i iza sebe ostave tzv. šupljine ( nedostatak elektrona). Ako se poluvodič priključi na napon, i elektroni i šupljine mogu pridonijeti uspostavljanju toka električne struje.

48. B) Razlika između vodiča, poluvodiča i izolatora (nastavak) • U slobodnim (nevezanim) atomima, elektroni se mogu nalaziti u samo određenim diskretnim energijskim stanjima. • Ovim strogo određenim energijskim stanjima pridružene su radi lakše vizualizacije atoma elektronske orbite ili ljuske odnosno podljuske. • Jedna od implikacija ovih kvantiziranih energijskih stanja je da su elektronu prilikom njegovog “silaska” s višeg na niži energetski nivo dozvoljene samo strogo određene energije zračenja svjetlosti (energije fotona) • Tako nastaje za svaki atom jedinstven atomski spektar (njegov prepoznatljiv “potpis”)

49. Pobuđeno stanje e- e- POBUĐENO STANJE I OSNOVNO STANJE Elektroni mogu zauzimati samo određene energijskenivoe; NIKADA nisu između dva nivoa. Osnovno stanje

50. Orbita s višom energijom; atom nestabilniji Orbita s najnižom energijom; najstabilnije stanje atoma