الناقلية الكهربائية للأجسام الصلبة: الناقلية في المعادن وأشباه النواقل – العلوم الفيزيائية – الثالثة ثانوي (بكالوريا) – المنهاج الجزائري

1. تعريف الناقلية الكهربائية

الناقلية الكهربائية (G) هي مقياس لسهولة مرور التيار الكهربائي في مادة ما، وتعرف بأنها مقلوب المقاومة الكهربائية:

G = 1 / R

وحدتها في النظام الدولي هي السيمنس (Siemens, S) حيث 1 S = 1 Ω⁻¹.

تعتمد ناقلية المواد على نوع المادة ودرجة حرارتها وبنيتها الذرية.

2. قانون أوم والناقلية

ينص قانون أوم على أن فرق الجهد (U) بين طرفي ناقل يتناسب طرداً مع شدة التيار (I) المار فيه:

U = R × I

حيث:

• U: فرق الجهد (V)
• R: المقاومة الكهربائية (Ω)
• I: شدة التيار (A)

وباستخدام الناقلية، يمكن كتابة قانون أوم بالشكل:

I = G × U

3. ناقلية المعادن

نموذج الإلكترونات الحرة: في المعادن، ترتبط الذرات بشبكة بلورية منتظمة، وتكون إلكترونات التكافؤ مرتبطة ارتباطاً ضعيفاً بالنواة، فتتحرر لتشكل “غازاً إلكترونياً” يمكنه التحرك بسهولة عبر الشبكة البلورية، وهذه الإلكترونات هي التي تنقل التيار الكهربائي.

تأثير درجة الحرارة على ناقلية المعدن:

• عند ارتفاع درجة الحرارة، تزداد اهتزازات الذرات في الشبكة البلورية.
• تزداد تصادمات الإلكترونات الحرة مع الذرات المهتزة.
• تزداد المقاومة الكهربائية (R) وتقل الناقلية الكهربائية (G).
• أي أن: المقاومة تزداد بازدياد درجة الحرارة في المعادن.

علاقة المقاومة مع درجة الحرارة:

R = R₀ (1 + α · ΔT)

حيث α هو معامل درجة الحرارة للمقاومة (قيمته موجبة للمعادن).

4. أشباه النواقل

أشباه النواقل هي مواد تقع ناقليتها بين الموصلات والعوازل، وأشهرها السيليسيوم (Si) والجرمانيوم (Ge). تتميز بأن ناقليتها تزداد بازدياد درجة الحرارة (عكس المعادن).

أ. الناقلية الذاتية

في أشباه النواقل النقية عند درجة الصفر المطلق (0 K)، تكون جميع الإلكترونات مرتبطة بروابط تساهمية، وتتصرف المادة كعازل. عند رفع درجة الحرارة، تنكسر بعض الروابط، فتتحرر إلكترونات تاركة فجوات (Trous) في البنية البلورية. تساهم الإلكترونات الحرة والفجوات معاً في نقل التيار الكهربائي (ناقلية ذاتية).

ب. الناقلية الشائبة (المنشطات)

لتحسين ناقلية أشباه النواقل، نضيف إليها شوائب (منشطات) بنسبة ضئيلة جداً (1 ذرة لكل 10⁸ ذرة). هناك نوعان:

النوع N (Negative):

• نضيف عنصراً خماسي التكافؤ (مثل الفوسفور P، الزرنيخ As) إلى السيليسيوم الرباعي التكافؤ.
• توجد إلكترونات حرة إضافية (حاملات شحنة سالبة).
• الناقلية تكون بإلكترونات حرة (الأغلبية إلكترونات).

النوع P (Positive):

• نضيف عنصراً ثلاثي التكافؤ (مثل البور B، الألمنيوم Al) إلى السيليسيوم الرباعي التكافؤ.
• تظهر فجوات إضافية (حاملات شحنة موجبة).
• الناقلية تكون بالفجوات (الأغلبية فجوات).

5. الثنائي (Diode)

الثنائي هو عنصر إلكتروني مكون من وصل شبه ناقل من النوع P مع شبه ناقل من النوع N، مشكلاً وصلة PN.

تركيب الثنائي:

• طبقة P (غنية بالفجوات).
• طبقة N (غنية بالإلكترونات الحرة).
• منطقة استنزاف عند الوصلة.

منحنى المميزة (I-V):

• التوجيه المباشر (Forward Bias): عندما تكون الطبقة P متصلة بالقطب الموجب والطبقة N بالقطب السالب، يمر التيار بسهولة (بعد تجاوز عتبة الجهد، حوالي 0.7V للسيليسيوم).
• التوجيه العكسي (Reverse Bias): عندما تكون الطبقة P متصلة بالقطب السالب والطبقة N بالقطب الموجب، لا يمر تيار (إلا تيار تسرب ضئيل جداً).

6. تطبيقات الثنائيات في التقويم

تستخدم الثنائيات في تحويل التيار المتناوب (AC) إلى تيار مستمر (DC) في عمليات التقويم:

تقويم نصف الموجة: يستخدم ثنائي واحد، يمرر نصف الموجة الموجب ويحجب النصف السالب.

تقويم الموجة الكاملة: يستخدم جسراً من 4 ثنائيات، يمرر كلا نصفي الموجة الموجب والسالب بعد قلبهما إلى موجب.

7. جدول مقارن بين النواقل والعوازل وأشباه النواقل

8. خلاصة

• الناقلية الكهربائية G = 1/R، وتستخدم لقياس سهولة مرور التيار.
• في المعادن، تنتقل الإلكترونات الحرة في الشبكة البلورية، وتقل الناقلية بارتفاع درجة الحرارة.
• أشباه النواقل (Si، Ge) ناقليتها متوسطة وتزداد بارتفاع درجة الحرارة.
• يمكن تحسين ناقلية أشباه النواقل بإضافة شوائب (منشطات) من النوع N أو P.
• الثنائي (Diode) هو وصلة PN تسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط.
• تستخدم الثنائيات في تقويم التيار المتناوب.

9. تمارين بكالوريا محلولة

التمرين الأول (بكالوريا 2020): ناقل معدني مقاومته R₀ = 100 Ω عند درجة حرارة 20°C. معامل درجة الحرارة α = 0.004 /°C. احسب مقاومته عند 80°C.

الحل:

R = R₀ (1 + α · ΔT)

ΔT = 80 – 20 = 60°C

R = 100 × (1 + 0.004 × 60) = 100 × (1 + 0.24) = 100 × 1.24 = 124 Ω

التمرين الثاني: ثنائي سيليسيوم (Si) مع عتبة جهد V₀ = 0.7 V، موصل في توجيه مباشر مع مقاومة حدية 220 Ω ومصدر جهد 5 V. احسب شدة التيار المار في الدارة.

الحل:

I = (E – V₀) / R = (5 – 0.7) / 220 = 4.3 / 220 = 0.0195 A = 19.5 mA

التمرين الثالث: اشرح كيف نحصل على شبه ناقل من النوع N ومن النوع P.

الحل: النوع N: إضافة عنصر خماسي التكافؤ (P, As) إلى Si، فينتج إلكترونات حرة إضافية. النوع P: إضافة عنصر ثلاثي التكافؤ (B, Al) إلى Si، فتنتج فجوات إضافية.