Header

  • עברית
  • English
  • العربية
  • Moodle
  • You Tube
  • facebook
  • GeoGebra
בית
  • אודות
    • חזון ומטרות מכון דוידסון
    • וויליאם (ביל) דוידסון
    • איך מגיעים?
    • חברי ההנהלה
    • חברי הוועד המנהל
    • עובדי מכון דוידסון
    • דרושים לדוידסון
    • כפר הנוער ע"ש לאוב
    • תמכו בנו
  • פעילויות
    • חוגים
    • מחנות מדע ומשלחות לחול
    • תוכניות למצטיינים
    • קידום והעצמת תלמידים
    • תוכניות מדעיות לכיתות
    • הרצאות, כנסים ואירועים
    • תחרויות
    • מורים − השתלמויות ותמיכה
    • תוכניות מתוקשבות
    • פעילויות החודש במכון דוידסון
  • דוידסון Online
    • שאל את המומחה
    • מאגר מדע: סרטונים וכתבות
    • המעגל המתמטי
    • אפליקציות ויישומוני מדע
    • ניסויי מדע בבית
    • חדר מורים
    • כל מה שרציתם לדעת על המוח
  • גן המדע
    • מידע למגיעים למוזיאון
    • חוגגים איתנו בגן המדע
    • פעילויות לגנים ולבתי ספר
    • פעילויות לארגונים ולקבוצות
    • מוצגים בגן
    • סדנאות "מדעכיף" בפסח
    • רעש וצלצולים בגן המדע
  • פר"ח

דוידסון Online
  • שאל את המומחה
    • רפואה ופיזיולוגיה
    • מדעי החיים
    • כימיה
    • פיסיקה
    • אסטרופיסיקה
    • מדעי כדור-הארץ
    • מתמטיקה ומדעי המחשב
    • טכנולוגיה
    • ידע כללי
    • שאלו שאלה חדשה
  • מאגר מדע: סרטונים וכתבות
  • המעגל המתמטי
  • אפליקציות ויישומוני מדע
  • ניסויי מדע בבית
  • חדר מורים
  • כל מה שרציתם לדעת על המוח

חפשו פעילויות וכתבות

תמונה: 
שאל שאלה
כותרת הבלוק: 
שאל שאלה
תוכן הבלוק: 

יש לכם שאלה בענייני מדע?
לפני שאתם שואלים שאלה, בצעו חיפוש קצר.
למה שלא תשאלו את המומחים שלנו, סטודנטים ומדענים במכון ויצמן למדע!

מה חדש בדוידסון Online

חידה שבועית מס' 79: שבע ועשרים ומאה
שלום לכם, בשבוע שעבר חגגנו את חג הפורים. המשימה השבוע תהיה קשורה למספרים במגילת אסתר: מצאו מהו המספר הראשון המופיע במגילה
לידיעה המלאה »
הגנים שאי אפשר בלעדיהם
מדענים מארה"ב יצרו במעבדה חיידק בעל גנום מזערי, המכיל רק את הגנים הנחוצים להישרדות ושופך אור חדש על המרכיבים הגנטיים
לידיעה המלאה »
האם המספרים הראשוניים אינם אקראיים?
מדענים מארצות הברית טוענים כי מצאו חריגה מההתפלגות האקראית בסדר הופעתם של מספרים ראשוניים. מה משמעות הדבר ואיך זה קשור לביטחון
לידיעה המלאה »
בניית מצלמה מגלילי נייר (קמרה אובסקורה)
בניסוי הנוכחי נבנה מעין מצלמה קטנה שמקרינה דמויות על מסך נייר ומאפשרת הגדלה והקטנה של הדמות. המצלמה מבוססת על התקן עתיק שנקרא
לידיעה המלאה »
מיץ תפוזים שקוף – מתכון בישול מולקולרי
בניסוי הזה ניקח מיץ תפוזים ונעשה ממנו נוזל שקוף וצלול בלי לשנות את טעמו, בשיטה של בישול מולקולרי. הניסוי/מתכון מחייב השגחה של
לידיעה המלאה »
חי בסרט מדעי – תחרות הסרטונים
כיצד נוצרים עננים? מדוע תכונות מסוימות עוברות מהורים לילדיהם? מדוע המלפפון ירוק? מה תפקיד הכנפיים במטוסים? על השאלות האלה ועוד
לידיעה המלאה »
חידה שבועית מס' 78: לזכור את פאי במילים
שלום לכם, בשבוע שעבר חגגנו את יום הפאי.  בכתבה המספר שמשגע את העולם (במדור הכתבות של דוידסון-אונליין)  כותב
לידיעה המלאה »

כיצד התורה הקוונטית מסבירה את העובדה שישנם חומרים מוליכים ואחרים מבודדים? תום

שתף

לפני התשובה, חזרה קצרה על עקרונות בסיסיים בתורת הקוונטים:
התורה הקווננטית התפתחה למעשה על מנת לתת פתרון לבעיה שלחלקיקים (בדרך כלל בגדלים אטומיים) יש תכונות גליות ולגלים יש תכונות המאפיינות חלקיקים. באופן די פשטני על פי התאוריה הזו, מערכות פיזיקליות מסויימות כמו למשל אטומים יכולים לקבל ערכים בדידים בלבד של אנרגיה (קוונטות) ולא ערכים רציפים. לפיכך האלקטרונים המצויים באטום יכולים להמצא באופן הסתברותי במסלולים ספציפיים בלבד (הנקראים אורביטלות) בהתאם לרמות האנרגיה האפשריות הקיימות בכל אטום או מערכת אטומית. את רמות האנרגיה והמסלולים בהם קיימת הסתברות לקיום של האלקטרון ניתן לפתור בעזרת פיתוח משוואה מתמטית של פונקציות גל הנקראת משוואת שרדינגר. 

כאשר האלקטרון חופשי לקבל מצב אנרגטי גבוה יותר מזה בו הוא מצוי, הוא מסוגל "לדלג" ממיקומו ולאכלס רמות אנרגיה אחרות גבוהות יותר באנרגיה בהתאם לקיום האטומי שלו. בחומרים מוצקים, רמות האנרגיה יוצרות רצף "פסים" המסוגלים לאכלס מספר מסויים של אלקטרונים:

בין הפסים ישנם פערים שבהם לא ייתכן קיום של אלקטרונים ("מצב אסור"). הפערים האלו נקראים "פערי אנרגיה". הפס בעל האנרגיה הגבוהה ביותר המאוכלס באלקטרונים נקרא "פס הערכיות". הפס הבא אחריו הגבוה ממנו באנרגיה שאינו מאוכלס באלקטרונים נקרא "פס ההולכה":


המוליכות החשמלית היא תוצאה של יכולת התנועה של אלקטרונים כתוצאה מהשרייה של מתח חשמלי והיא מושפעת מ-2 גורמים. האחד הוא צפיפות האלקטרונים ברמות האנרגיה בפסי הערכיות וההולכה והשני הוא פער האנרגיה.
במוליכים פער האנרגיה הוא זניח ו"פס ההולכה" מלא בחלקו באלקטרונים, ולכן שדה חשמלי יכולל לעורר את האלקטרונים "לדלג" לרמות אנרגיה פנויות גבוהות יותר, ומכאן לקיומו של זרם חשמלי.

לעומת זאת בחומרים מבודדים פערי האנרגיה גדולים ו"פס הערכיות" מלא לגמרי באלקטרונים, מצב שמונע מעבר חופשי של אלקטרונים גם בהשפעת שדה חשמלי (נזכור שהאלקטרונים הם בעלי מטען חשמלי שלילי והם מונעים בעצמם את התנועה החופשית שלהם בשל הדחייה ביניהם).

ישנם חומרים הנקראים מוליכים למחצה. חומרים אלו מתנהגים כמבודדים אך בהשפעה של שינויים מסויימים יכולים להפוך למוליכים. אם פער האנרגיה קטן יחסית ו"פס ההולכה" ריק מאלקטרונים, בהנתן התנאים המתאימים תתכן אפשרות שאלקטרונים "ידלגו" מ"פס הערכיות" המלא ל"פס ההולכה" הריק. מצב זה ייתכן כאשר הטמפרטורה מספיק גבוהה וכן רק בהנחה שפער האנרגיה מספיק קטן לאפשר את מעבר האלקטרונים.


באיור ניתן לראות את ההבדלים באיכלוס האלקטרונים בין כל סוגי המוליכים.

נסכם זאת כך, תכונת ההולכה בחומרים מתאפשרת בעקבות זרימה רציפה של אלקטרונים ל"פסי ההולכה" ברמות אנרגיה גבוהות יותר. הזרימה הזו היא המאפשרת את קיומו של הזרם חשמלי. בחומרים שבהם ישנם פערי אנרגיה גבוהים מדי ואכלוס האלקטרונים בפסי הערכיות הוא מלא הזרימה הרציפה לא מתאפשרת ולכן לא מתקיימת הולכה ומכאן שהחומרים הם מבודדים.

מאת: שלומי דגן
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע

נכתב בשיתוף עם מעיין שיש
הפקולטה למדעי הטבע
האוניברסיטה העברית

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

  • This article has 8 comments
  • 16.01.12
אורביטלים אלקטרוניים, אלקטרונים, בידוד, חשמל, מוליכות, פונקצית הגל, שרדינגר

תגובות

הסיבה לפסים האסורים

הוגש ע"י אסף ב־ד', 18.12.2013 , 20:28.

האם הפסים אסורים בעקבות דחייה אלקטרומגנטית של האלקטרונים, ובגלל זה הם הולכים ומצטמצמים ככל שהם רחוקים יותר מהגרעין.
אשמח אם תפרט אך הם נקבעים ובנוסף אך הם ניתנים לזיהוי וחישוב

תודה

  • השב
  • אשכול המלא

מצבים אסורים

הוגש ע"י חיים חביב ב־ו', 10.01.2014 , 11:14.

שלום אסף,
האם אתה מתכוון למצבים אסורים, דהיינו למרווחים שבין הרמות המותרות?

  • השב

כן

הוגש ע"י אסף ב־א', 01.06.2014 , 16:48.
  • השב

תודה על המידע! שאלה:

הוגש ע"י אייל ב־ש', 16.03.2013 , 20:12.

בחלק האחרון של הכתבה "בחומרים שבהם ישנם פערי אנרגיה גבוהים מדי ואכלוס האלקטרונים בפסי ההולכה הוא מלא הזרימה הרציפה לא מתאפשרת ולכן לא מתקיימת הולכה ומכאן שהחומרים הם מבודדים." האם הכוונה לפס הערכיות?

תודה

  • השב
  • אשכול המלא

שימושים

הוגש ע"י הלל ב־ש', 04.08.2012 , 07:47.

מהם השימושים של המוליכים למחצה ואיך אופיים תורם לפעילות של רכיבים אלקטרוניים(תאים סולאריים,נורות לד,זיכרון מחשב) תודה

  • השב
  • אשכול המלא

מוליכות בעל מוליכים

הוגש ע"י אפי ב־א', 01.07.2012 , 22:31.
  • השב
  • אשכול המלא

זה רק סוג אחד של מבודד

הוגש ע"י יוחאי ב־ב', 30.01.2012 , 11:22.

יש גם תסריטים אחרים שיכולים לגרום לחומר להיות מבודד - לוקליזציית אנדרסון, מבודדים טופולוגים, ומבודדי מוט (Mott).

  • השב
  • אשכול המלא

צודק 100%, אך קצרה היריעה.

הוגש ע"י שלומי דגן ב־ו', 03.02.2012 , 20:51.
  • השב

פרסום תגובה חדשה

ערך מאפיין זה ישאר פרטי ולא יוצג באופן ציבורי.
Image CAPTCHA
נא הקלד את התווים הנראים בתמונה זו
הדפס
CodeOasis
  • דף הבית
  • אודות
  • תוכניות
  • דוידסון Online
  • גן המדע
  • פר"ח
  • תנאי שימוש
  • RSS
כל הזכויות שמורות למכון דוידסון לחינוך מדעי ליד מכון ויצמן למדע (ע"ר)