Si al aumentar la aplicación de energía a un átomo se excitan los electrones, ¿por qué disminuye la conductividad eléctrica a medida que aumenta la temperatura?

Aplicar energía a un átomo hace que los electrones salten a niveles de energía más altos. Esto se conoce como excitación. Los electrones en niveles de energía más altos son más fáciles de eliminar de un átomo que aquellos en niveles de energía más bajos. Dado que aplicar energía a un átomo eleva los electrones, los electrones se vuelven más fáciles de eliminar.

Es intuitivo pensar que electrones más sueltos significan una mayor conductancia eléctrica, ya que los electrones pueden moverse más fácilmente entre los átomos y, por lo tanto, permitir la conductividad eléctrica.

Sin embargo, los superconductores generalmente se mantienen cerca de 0 Kelvin, y las resistencias térmicas aumentan la resistencia al aumentar la temperatura. Además, los metales fundidos conducen menos que los sólidos.

¿Cuál es el defecto (si lo hay) en esta lógica?

Los electrones en los conductores no necesitan ser elevados a la banda de conducción por excitación térmica, ya están ahí a cualquier temperatura. Lo que hace que los electrones pierdan energía mientras se mueven en un campo eléctrico es la interacción con las vibraciones de la red (fonones). El número de fonones excitados crece con la temperatura, por lo que los electrones se dispersan con mayor fuerza a temperaturas más altas. Sin embargo, los superconductores requieren una explicación muy diferente, ya que su conducción no se ve facilitada por electrones sino por cuasipartículas formadas por pares de electrones y fonones.
@CuriousOne ¿No debería ser un anuncio como un anuncio en lugar de un comentario?

Respuestas (2)

Como regla general, agregar energía térmica no provoca transiciones electrónicas. Esto se debe a que las energías de transición electrónicas típicas son de unos pocos electronvoltios o alrededor de 100 kT a temperatura ambiente.

En un metal, los electrones no están en niveles de energía discretos, sino que residen en una banda continua de niveles de energía llamada banda de conducción . Si bien la energía térmica puede excitar electrones dentro de esta banda, hace poca diferencia en la movilidad de los electrones, ya que los electrones en la banda de conducción ya son muy móviles.

La resistencia eléctrica surge porque los electrones se dispersan de la red cristalina formada por los átomos que componen el metal. La energía cinética termina siendo transferida a la red donde aparece como vibraciones de la red, es decir, calor. Si la red ya está vibrando, es decir, ya está caliente, entonces en efecto presenta un objetivo mayor y la dispersión aumenta y es por eso que la conductividad de los metales cae con la temperatura. Si calienta el metal, aumenta la amplitud de las vibraciones de la red y los electrones se dispersan más fuertemente por la red vibratoria.

Sin embargo, algo como el efecto que describe se ve en los semiconductores. En muchos semiconductores, la diferencia de energía entre las bandas de energía y los estados de brecha es comparable con k T . Si calienta un semiconductor, puede excitar electrones y eso aumenta la conductividad. Así como en un metal los electrones son dispersados ​​por la red, y esta dispersión aumenta con la temperatura, sin embargo a temperaturas moderadas la excitación de los electrones gana y la resistencia disminuye.

Por ejemplo, mire este gráfico de la curva de conductividad-temperatura para el tungsteno metálico y el silicio semiconductor:

Conductividad

( diagrama de este artículo )

Esto muestra cómo la conductividad del metal cae con la temperatura mientras que la conductividad del silicio aumenta.

Gracias por esta buena respuesta. Estoy impresionado por la variación de la conductividad del silicio, en escala logarítmica en su gráfico. Me pregunto si su explicación (ocupación de la banda de conducción debido a la temperatura) funciona para una variación tan grande. Alguna idea ? Gracias de cualquier manera.
Gracias de nuevo ! De hecho, dopante sigue la distribución de Maxwell en primera aproximación, perdón por el error.
Estoy confundido, si calientas el metal, ¿aumentas la amplitud de las vibraciones de la red? Pensé que aumentaría la frecuencia de estas vibraciones. O son ambos?? Cuando las cosas están frías, la celosía apenas se mueve, se queda quieta mientras que las cosas calientes se mueven mucho, ¿no? Entonces, ¿cuál es la relación entre la frecuencia de las vibraciones de la red y la temperatura?
@Aditya ese es un gran tema y probablemente sea mejor publicarlo como una nueva pregunta

En términos lamens, el calor hace que las moléculas se expandan unas de otras, esa distancia causa la resistencia eléctrica.

Si al aumentar la aplicación de energía a un átomo se excitan los electrones, ¿por qué disminuye la conductividad eléctrica a medida que aumenta la temperatura?
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