حامل الشحن

في فيزياء الحالة الصلبة ، حامل الشحنة هو جسيم أو شبه جسيم حر الحركة يحمل شحنة كهربائية ، وخاصة الجسيمات التي تحمل شحنات كهربائية في الموصلات الكهربائية . ^{[ 1 ]} ومن أمثلتها الإلكترونات والأيونات والفجوات . ^{[ 2 ]} في وسط موصل، يمكن للمجال الكهربائي أن يؤثر بقوة على هذه الجسيمات الحرة، مما يُسبب حركة صافية للجسيمات عبر الوسط؛ وهذا ما يُشكل التيار الكهربائي . ^{[ 3 ]} الإلكترون والبروتون هما حاملا الشحنة الأساسيان ، يحمل كل منهما شحنة أساسية واحدة ( e )، متساوية في المقدار ومتعاكسة في الإشارة .

في الأوساط الموصلة، تعمل الجسيمات على نقل الشحنة. في العديد من المعادن ، تكون حاملات الشحنة هي الإلكترونات . يستطيع إلكترون واحد أو اثنان من إلكترونات التكافؤ لكل ذرة التحرك بحرية داخل البنية البلورية للمعدن. ^{[ 4 ]} تُسمى الإلكترونات الحرة بإلكترونات التوصيل ، وتُسمى سحابة الإلكترونات الحرة بغاز فيرمي . ^{[ 5 ] [ 6 ]} تحتوي العديد من المعادن على نطاقات إلكترونات وفجوات. في بعضها، تكون الفجوات هي حاملات الشحنة الرئيسية.

في المحاليل الإلكتروليتية ، مثل الماء المالح ، تكون حاملات الشحنة هي الأيونات ، ^{[ 6 ]} وهي ذرات أو جزيئات اكتسبت أو فقدت إلكترونات، فأصبحت مشحونة كهربائيًا. تُسمى الذرات التي اكتسبت إلكترونات، فأصبحت سالبة الشحنة، بالأنيونات ، بينما تُسمى الذرات التي فقدت إلكترونات، فأصبحت موجبة الشحنة، بالكاتيونات . ^{[ 7 ]} تعمل الكاتيونات والأنيونات في السائل المتفكك أيضًا كحاملات للشحنة في المواد الصلبة الأيونية المنصهرة (انظر، على سبيل المثال، عملية هول-هيرولت كمثال على التحليل الكهربائي لمادة صلبة أيونية منصهرة). موصلات البروتونات هي موصلات إلكتروليتية تستخدم أيونات الهيدروجين الموجبة كحاملات للشحنة. ^{[ 8 ]}

في البلازما ، وهي غاز مشحون كهربائياً يوجد في الأقواس الكهربائية عبر الهواء، ولافتات النيون ، والشمس والنجوم، تعمل الإلكترونات والكاتيونات الموجودة في الغاز المتأين كناقلات للشحنة. ^{[ 9 ]}

في الفراغ ، يمكن للإلكترونات الحرة أن تعمل كناقلات للشحنة. في المكون الإلكتروني المعروف باسم أنبوب التفريغ (أو الصمام )، تتولد سحابة الإلكترونات المتحركة بواسطة مهبط معدني ساخن ، من خلال عملية تُسمى الانبعاث الحراري . ^{[ 10 ]} عندما يُطبق مجال كهربائي قوي بما يكفي لجذب الإلكترونات في حزمة، يُشار إلى هذا باسم شعاع المهبط ، وهو أساس شاشة أنبوب أشعة المهبط التي كانت شائعة الاستخدام في أجهزة التلفزيون وشاشات الكمبيوتر حتى العقد الأول من القرن الحادي والعشرين.

في أشباه الموصلات ، وهي المواد المستخدمة في صناعة المكونات الإلكترونية مثل الترانزستورات والدوائر المتكاملة ، يوجد نوعان من حاملات الشحنة. في أشباه الموصلات من النوع p، تتحرك جسيمات فعالة تُعرف باسم الفجوات الإلكترونية ذات الشحنة الموجبة عبر الشبكة البلورية، مُنتجةً تيارًا كهربائيًا. تُعتبر هذه الفجوات، في الواقع، فراغات إلكترونية في نطاق التكافؤ لشبه الموصل، وتُعامل كحاملات شحنة نظرًا لقدرتها على الحركة، حيث تنتقل من موقع ذري إلى آخر. أما في أشباه الموصلات من النوع n، فتتحرك الإلكترونات الموجودة في نطاق التوصيل عبر البلورة، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي.

في بعض الموصلات، مثل المحاليل الأيونية والبلازما، تتعايش حاملات الشحنة الموجبة والسالبة، لذا يتكون التيار الكهربائي في هذه الحالات من نوعي حاملات الشحنة يتحركان في اتجاهين متعاكسين. أما في موصلات أخرى، مثل المعادن، فلا توجد إلا حاملات شحنة ذات قطبية واحدة، لذا يتكون التيار الكهربائي فيها ببساطة من حاملات شحنة تتحرك في اتجاه واحد.

يوجد نوعان معروفان من حاملات الشحنة في أشباه الموصلات . الأول هو الإلكترونات ، التي تحمل شحنة كهربائية سالبة . بالإضافة إلى ذلك، من الملائم اعتبار الفراغات المتحركة في نطاق التكافؤ ( الفجوات ) نوعًا ثانيًا من حاملات الشحنة، والتي تحمل شحنة موجبة مساوية في مقدارها لشحنة الإلكترون. ^{[ 11 ]}

تتميز الموصلات الفائقة بانعدام مقاومتها الكهربائية، مما يسمح لها بنقل التيار الكهربائي بشكل مستمر. ويتحقق هذا النوع من التوصيل من خلال تكوين أزواج كوبر . حاليًا، لا يمكن الحصول على الموصلات الفائقة إلا في درجات حرارة منخفضة جدًا، باستخدام التبريد المبرد على سبيل المثال. ولا يزال تحقيق الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة يمثل تحديًا، وهو مجال بحث وتجارب مستمرة. إن ابتكار موصل فائق يعمل في درجة حرارة الغرفة سيشكل إنجازًا تقنيًا هامًا، من شأنه أن يساهم في رفع كفاءة الطاقة في شبكة توزيع الكهرباء بشكل كبير.

في ظروف استثنائية، قد تحمل البوزيترونات والميونات والميونات المضادة والتاو والتاو المضاد شحنة كهربائية. هذا ممكن نظريًا، إلا أن العمر القصير جدًا لهذه الجسيمات المشحونة يجعل الحفاظ على مثل هذا التيار أمرًا بالغ الصعوبة في ظل التكنولوجيا الحالية. قد يكون من الممكن توليد هذا النوع من التيار صناعيًا، أو قد يحدث في الطبيعة لفترات زمنية قصيرة جدًا.

تتكون البلازما من غاز متأين. يمكن للشحنة الكهربائية أن تُسبب تكوّن مجالات كهرومغناطيسية في البلازما، مما قد يؤدي إلى تكوّن تيارات كهربائية، أو حتى تيارات متعددة. تُستخدم هذه الظاهرة في مفاعلات الاندماج النووي . كما تحدث بشكل طبيعي في الكون، على هيئة نفاثات، أو رياح سديمية، أو خيوط كونية تحمل جسيمات مشحونة. تُعرف هذه الظاهرة الكونية بتيار بيركلاند . وبشكل عام، تُعدّ الموصلية الكهربائية للبلازما أحد مواضيع فيزياء البلازما .

• عمر الناقل
• مجاناً
• الانتشار الجزيئي
• رسوم النقطة
• شاحن