¿Cómo explica la teoría de bandas la conductividad eléctrica de los metales?

Bueno, para comprender el enigma de la conductividad de los metales, debe comprender muchos conceptos o teorías relacionadas con el funcionamiento de los electrones.

Básicamente, los enlaces atómicos son de 3 tipos: covalente (por ejemplo, elementos no metálicos), iónico (por ejemplo, sales) y eléctrico (por ejemplo, metales). A continuación hablaré de la diferencia principal entre el enlace covalente y el eléctrico usando la teoría de bandas.

Todos los átomos están hechos de núcleo y “nube” de electrones. Las leyes cuánticas dictan que incluso en un solo átomo solo 2 electrones con espines opuestos pueden “ocupar” exactamente el mismo nivel de energía y orientación, es decir, la banda s tiene 2 electrones, la banda p tiene 2 direcciones x, y, z, total 6 electrones y así en…

Los electrones en un átomo tienden a ocupar los niveles de energía más bajos, sin embargo, cuando obtienen la cantidad apropiada de energía, estos electrones se “excitan” y saltan a un nivel desocupado de forma tempestuosa.

Esa fue la historia de 1 solo átomo. Ahora, cuando 2 o más átomos del mismo elemento se acercan, sus nubes de electrones comienzan a interactuar. Los átomos del mismo elemento tienen una nube electrónica idéntica, pero a medida que se acercan, los electrones anteriores a los mismos niveles de energía se ven obligados a existir a un nivel de energía ligeramente superior o inferior. Esto lleva a la formación de una “banda” de energía en lugar de un solo “nivel” de energía.

En los elementos metálicos, cuando se unen muchos átomos, los electrones tienen niveles electrónicos desocupados en la misma banda (cuántos y de qué tipo, esto varía de un elemento a otro) que son fácilmente accesibles al suministrar muy poca energía. Además, en los metales, los átomos se unen entre sí de manera que el enlace es igualmente fuerte en cualquier dirección y las “nubes” de electrones (cada una de las cuales se cierne alrededor de un solo núcleo) se combinan en un “mar de electrones”. En palabras simples, ¡los electrones pueden circular y conducir electricidad libremente porque tienen mucho espacio libre! ¡Es por eso que (en términos generales) los metales forman cristales y no moléculas!

Cuando se acercan 2 o más átomos idénticos de elementos no metálicos, se combinan de manera diferente de modo que todos los estados de energía más bajos están completamente ocupados. En la mayoría de los casos, unos pocos átomos forman enlaces “direccionales” entre ellos y las nubes de electrones de un átomo individual se combinan para formar nubes de electrones que se comparten entre los átomos de la molécula.
Los electrones en la nube de electrones compartida no tienen espacio libre para moverse y, por lo tanto, los no metales no son conductores.

Intentaría decírselo de manera muy simple sin perder la generalidad. La conductividad eléctrica significa la facilidad con que los electrones se mueven en los materiales. Sin embargo, los materiales son de diferente tipo, también lo son su conductividad eléctrica. Esta variación fue explicada por la teoría de la banda.

Deje que un niño quiera saltar de un edificio a otro. Si la distancia entre ellos es demasiado grande, definitivamente no lo hará. Sin embargo, si la distancia es corta, lo cual es fácil de cruzar, él irá. Y, si hay una brecha insignificante, entonces no hay necesidad de saltar, ya que puede cruzar fácilmente. Similar es el caso de los electrones, un edificio puede tomarse como banda de valencia (de donde salta) y el segundo, la banda de conducción.

El primer caso representa los aislantes, el segundo los semiconductores y el tercero, los metales. Y la brecha se llama Band Gap.

Creo que puedes relacionarte fácilmente.

La teoría de la banda menciona que hay 2 ‘bandas’ diferentes que determinan la propiedad de los electrones presentes en ellas.
1. Banda de valencia: esta es la banda de energía más baja en la que los electrones están en sus estados fundamentales. Los electrones en esta banda están unidos al núcleo y no están involucrados en el flujo de corriente.
2. Banda de conducción: es la banda de mayor energía en la que los electrones se mueven / desplazan bajo la influencia de un campo eléctrico para hacer que la corriente fluya.

Según la teoría de la banda, hay una brecha de energía que separa estas 2 bandas que se conoce como la ‘brecha de energía prohibida’. Ahora, para que un electrón salte de la banda de valencia a la banda de conducción, tendrá que ganar una energía mínima equivalente al ancho de la banda. Pero la característica única de los metales es que la banda de valencia y la banda de conducción se solapan al menos en pequeña medida. Por lo tanto, no se requiere muy poca energía para que el electrón haga un “salto” a un estado superior porque la energía de ambas bandas está bastante cerca y los electrones son esencialmente “libres” para moverse.

Cuando una o más bandas tienen regiones por encima y por debajo de la energía de Fermi, esta estructura de banda describe un metal. (Si la densidad de estados, recíproca de la derivada de la energía con respecto al vector k, es pequeña, este es un semimetal, como grafeno, grafito, bismuto, etc.)

Si todas las bandas están completamente ocupadas o desocupadas, usted tiene un semiconductor o un aislante, basado en un tamaño bastante arbitrario de la brecha de banda, con huecos de banda por debajo de alrededor de 10 eV como semiconductores. Estos materiales pueden tener cierta cantidad de portadores eléctricos por excitación térmica o dopaje.