Importancia de la teoría de bandas en los sólidos lo esencial a conocer
La conductividad eléctrica en los metales puede ser explicada mediante la teoría de bandas. En estos materiales, las bandas de valencia (que contienen electrones a baja temperatura) y las de conducción (vacías a baja temperatura) se intersectan, lo que permite a los electrones en los estados de valencia moverse de manera casi libre hacia los estados de conducción. Para comprender este fenómeno, es necesario tener cierta comprensión de la física cuántica.
La banda de conducción
El terreno de la conducción se crea mediante la unión de los primeros espacios sin uso o libres de cada elemento. Usualmente, esta área contiene órbitas p o d que se conectan de manera lateral. Como resultado, nace una zona similar a una vía rápida que cruza tanto por encima como por debajo de las capas de átomos.
Al entrar en la región de conducción, un electrón se considera "deslocalizado", ya que puede moverse libremente de un lugar a otro, sin estar situado alrededor de un átomo específico.
Una analogía útil
Imaginemos a un sólido hecho de cualquier sustancia, como si se tratara de un edificio donde cada apartamento representa un átomo. Y dentro de cada apartamento, las habitaciones con sus respectivas camas pueden entenderse como los orbitales donde residen los electrones.
En un material no conductor, todos los electrones se encuentran localizados alrededor de su respectivo átomo. Esto significa que cada apartamento está cerrado y los electrones no pueden moverse libremente de un "apartamento" a otro (es decir, de un átomo a otro). Es necesario emplear una gran cantidad de energía para poder abrir todas las puertas y salir.
Por el contrario, en un material conductor como un metal, las cosas son muy diferentes. Los átomos se encuentran tan cerca uno del otro, que sus orbitales se combinan para formar un solo orbital gigante. Esto sería como tumbar todas las paredes en un piso y crear una única habitación común llena de camas.
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Bandas de energía
Las bandas orbitales son resultado de la unión de orbitales atómicos y adoptan una forma gigante. Cada una se compone de varios orbitales con energías similares, lo que permite la presencia de múltiples elementos con diferentes niveles energéticos.
Conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica se basa en la habilidad de estimular o mover a los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Una analogía que puede ser utilizada es la de una ciudad, donde el material sólido representa a la ciudad en sí, cada vivienda representa un átomo y sus habitaciones son los orbitales donde residen los electrones.Si un material no tiene conductividad, significa que todos los electrones permanecen en sus viviendas y no pueden moverse. Sin embargo, en materiales conductores, los átomos están más cercanos unos a otros, lo que permite que se combinen y derrumbar las paredes de las viviendas, creando una gran habitación donde reside la banda de valencia. En esta habitación, los electrones ocupan sus habitaciones respectivas. Por otro lado, la banda de conducción se asemejaría a un pasillo que se forma justo al lado. En este pasillo, los electrones no están fijos y tienen la capacidad de moverse.
Comprendiendo la teoría de bandas Una explicación detallada
La teoría de bandas, también conocida como la teoría del enlace metálico, explica la unión entre átomos metálicos y su alta conductividad eléctrica, a diferencia de otros materiales aislantes.
En una muestra de metal, como un clavo o un cable de cobre, los átomos están estrechamente unidos y muy próximos entre sí.
De acuerdo con la teoría de bandas, esta cercanía permite que sus orbitales atómicos, donde se encuentran los electrones, se fusionen y formen un enorme orbital que se asemeja más a una "banda" que a un orbital individual.
La banda de valencia
La formación de una banda se produce mediante la combinación de los orbitales de valencia de cada átomo. Dichos orbitales, que son los últimos en ser ocupados por electrones en cada átomo individual, se unen para crear la banda correspondiente.
La banda de valencia representa el nivel de energía donde se encuentran los electrones de un metal cuando los átomos están en su estado natural. Es decir, cuando no han sido excitados por algún estímulo externo, como la aplicación de un potencial eléctrico.
El transporte de energía a través de la teoría de bandas en sistemas eléctricos
La formación de las bandas de valencia y conducción es un concepto clave para entender la conducción eléctrica en diferentes materiales. A partir de este entendimiento, es posible comprender por qué algunos materiales conducen, mientras que otros no lo hacen.
La capacidad de un material para conducir electricidad se basa en la facilidad o dificultad para mover o excitar los electrones de la banda de valencia hacia la banda de conducción. Este movimiento se ve afectado por la diferencia de energía entre ambas bandas.
Según esta diferencia de energía, podemos distinguir tres tipos de materiales: aquellos que tienen una pequeña diferencia de energía, lo que les permite conducir, aquellos que tienen una gran diferencia, lo que los hace materiales aislantes, y aquellos que tienen una diferencia casi nula, que los convierte en materiales semiconductores. Por lo tanto, la proximidad de los niveles de energía en las bandas de valencia y conducción es un factor determinante en la conductividad eléctrica de los materiales.
Tipos de materiales
La teoría de banda permite identificar los distintos tipos de materiales o sólidos.Según la carga de energía y el movimiento de los electrones, se pueden distinguir varias categorías.
En los conductores, como el cobre o el aluminio, la separación entre la banda de valencia y la banda de conducción es mínima o inexistente, lo que permite el libre desplazamiento de electrones.
Otros ejemplos de materiales conductores son las soluciones acuosas y metales como la plata o el bronce.
Contenido del Vídeo
La clasificación de los sólidos: en base a su conductividad eléctrica, podemos agrupar a los sólidos en aislantes, conductores y semiconductores. Sin embargo, la propiedad de semiconductividad no puede ser explicada por el modelo del mar de electrones utilizado para el enlace metálico. Es necesario adentrarse en una teoría más profunda, la teoría de bandas, que no solo explica la semiconductividad, sino también por qué los metales son excelentes conductores de electricidad.
La estructura atómica del litio: un átomo de litio cuenta con un orbital 1s lleno (con 2 electrones) y un orbital 2s semilleno (con 1 electrón). Además, considerando su capa de valencia, podemos mencionar los orbitales 2p, los cuales se encuentran vacíos en la mayoría de los casos.
La teoría de bandas: según esta teoría, los orbitales atómicos de valencia de los N átomos de litio que forman un enlace metálico, se fusionan entre sí para crear unos orbitales moleculares que abarcan todo el cristal. Dichos orbitales presentan energías muy similares entre sí, y están tan próximos que forman una banda. La cantidad de orbitales moleculares generados depende de la cantidad de orbitales atómicos combinados.
comentario
La teoría de las bandas ha sido ampliamente comprobada mediante experimentos, y actualmente es el modelo aceptado para entender el comportamiento de los sólidos.
Enunciado
En el mundo de los materiales sólidos, su capacidad de conducir electricidad puede determinarse en tres tipos principales: conductores, aislantes y semiconductores. La tercera opción es particularmente interesante ya que se explica a través de la teoría de bandas.
Esta teoría sostiene que los átomos de valencia de un sólido se unen y forman enlaces que, a su vez, crean orbitales moleculares con energías similares. Debido a la cercanía de estas energías, se produce una "banda" de orbitales moleculares, cuyo número dependerá de la cantidad de átomos involucrados en la unión inicial.
Por consiguiente, se deduce que los átomos metálicos pueden tener sus orbitales atómicos llenos o vacíos. Cuando hay una gran cantidad de átomos unidos de forma muy estrecha, se produce una superposición de orbitales, lo que da lugar a la formación de bandas.
