פרק 3: תכונות חשמליות של חומרים

3.1 מושגים בסיסיים

בפרקים הקודמים עסקנו בעיקר במבנה החומר ובשינויים המתרחשים בו בזמן התמצקות, חימום וקירור. כעת נפנה לתכונה חשובה נוספת: היכולת של חומרים להוליך זרם חשמלי.

לתכונות החשמליות חשיבות עצומה בהנדסה המודרנית. חוטי החשמל בבית עשויים מנחושת דווקא משום שהיא מוליכה טובה; מעטפת הכבל עשויה מפולימר דווקא משום שהוא מבודד; מעבדים, טלפונים ומחשבים מבוססים על מוליכים למחצה; ותאי דלק וסוללות מנצלים מוליכות יונית. כך, שלוש משפחות החומרים שהכרנו — מתכות, קרמיקות ופולימרים — מופיעות כאן מחדש, הפעם דרך עדשת התכונות החשמליות.

כדי להבין מדוע חומרים שונים מתנהגים באופן כה שונה, נתחיל בכמה מושגים בסיסיים.

זרם חשמלי

זרם חשמלי הוא תנועה מסודרת של מטען חשמלי. במתכות נושאי המטען הם בדרך כלל אלקטרונים; בתמיסות ובחומרים יוניים עשויים לנוע יונים חיוביים ושליליים; ובמקרים מסוימים נעים גם אלקטרונים וגם יונים בו-זמנית.

נהוג לסמן את עוצמת הזרם באות $I$, ויחידת המדידה היא אמפר (A). מבחינה פיזיקלית, זרם של אמפר אחד פירושו מעבר של קולון אחד של מטען דרך חתך המוליך בכל שנייה.

התנגדות ומוליכות

לא כל חומר מאפשר מעבר זרם באותה מידה: בחומרים מסוימים המטען נע בקלות יחסית, ואילו באחרים תנועתו קשה מאוד.

ההתנגדות החשמלית מסומנת באות $R$ ונמדדת באוהם (Ω). ככל שההתנגדות גבוהה יותר, כך קשה יותר להעביר זרם דרך החומר. הגודל ההפוך להתנגדות הוא המוליכות החשמלית: מוליכות גבוהה פירושה שהחומר מאפשר מעבר זרם בקלות.

נקודה חשובה: התנגדות תלויה לא רק בסוג החומר אלא גם בגאומטריית הדוגמה — חוט ארוך ודק מתנגד יותר מחוט קצר ועבה, גם אם שניהם עשויים מאותו חומר. לכן, לצורך השוואה בין חומרים, משתמשים בהתנגדות סגולית (ρ) ובמוליכות סגולית (σ), שהן תכונות חומר אמיתיות ואינן תלויות בצורה או בממדים. אלה הגדלים שיעניינו אותנו לאורך הפרק.

חוק אוהם

באמצעות ניסויים נמצא כי עבור חומרים רבים קיים קשר פשוט בין המתח לבין הזרם, הידוע כחוק אוהם:

$U=IR$

כאשר $U$ הוא המתח, $I$ הזרם ו-$R$ ההתנגדות. המשמעות הפשוטה: ככל שמפעילים מתח גבוה יותר, כך מתקבל זרם גדול יותר. חומרים המקיימים קשר ליניארי זה נקראים מוליכים אוהמיים. (לא כל החומרים אוהמיים — במוליכים למחצה ובהתקנים רבים הקשר בין מתח לזרם אינו ליניארי כלל, כפי שנראה בהמשך.)

חוק אוהם הוא אחד החוקים החשובים ביותר בהנדסת חשמל, אך מבחינתנו הוא בעיקר כלי למדידת תכונותיהם החשמליות של חומרים.

---

3.2 מנגנוני הולכה

כעת עולה שאלה חשובה יותר: מדוע חומרים מסוימים מוליכים זרם ואחרים אינם מוליכים? התשובה תלויה במנגנון העברת המטען — כלומר, מי בדיוק נושא את המטען דרך החומר.

הערה על מינוח: בספרות נפוצה גם חלוקה של מוליכים לפי סוג. מוליכים מסוג ראשון הם המוליכים האלקטרוניים (המתכות הן הדוגמה המובהקת); מוליכים מסוג שני הם המוליכים היוניים (תמיסות אלקטרוליטיות, מלחים מותכים, אלקטרוליטים מוצקים); ולעיתים מוסיפים גם מוליכים מסוג שלישי — המוליכים המעורבים, שבהם נעים גם אלקטרונים וגם יונים. החלוקה לשלושת הסוגים הללו זהה במהותה לחלוקה לפי מנגנון שנציג מיד, וכדאי להכיר את שני המינוחים.

מוליכים אלקטרוניים (סוג ראשון)

במתכות ובחלק מן המוליכים למחצה, המטען נישא על ידי אלקטרונים. אלקטרונים אלה אינם קשורים באופן מלא לאטום מסוים, ויכולים לנוע דרך החומר בהשפעת שדה חשמלי. זהו מנגנון ההולכה החשוב ביותר במתכות, ונחושת, כסף ואלומיניום הם דוגמאות טיפוסיות.

מוליכים יוניים (סוג שני)

בחומרים אחרים המטען נישא על ידי יונים — לא האלקטרונים נעים דרך החומר, אלא אטומים או קבוצות אטומים טעונות. מנגנון זה אופייני במיוחד לתמיסות מימיות, למלחים מותכים, ולקרמיקות יוניות מסוימות.

בדרך כלל מוליכות יונית איטית בהרבה ממוליכות אלקטרונית — שהרי היונים כבדים ונעים בקושי דרך הסריג, בעוד האלקטרונים קלים וזריזים. עם זאת, היא בעלת חשיבות עצומה בסוללות, בתאי דלק ובחיישנים אלקטרוכימיים. (כאן מתחבר הפרק לעולם האלקטרוכימיה: מוליכות יונית היא הבסיס לכל תא גלווני.)

מוליכים מעורבים (סוג שלישי)

בחלק מן החומרים מתקיימים שני מנגנוני ההולכה בו-זמנית — גם אלקטרונים וגם יונים משתתפים בהעברת המטען. חומרים כאלה נקראים מוליכים מעורבים, ויש להם חשיבות רבה בטכנולוגיות אנרגיה מודרניות, במיוחד בתאי דלק ובמערכות אלקטרוכימיות לטמפרטורות גבוהות.

בשלב זה אנו יודעים כיצד נמדדת מוליכות חשמלית ואילו חלקיקים מסוגלים לשאת מטען. אולם עדיין לא ענינו על השאלה המרכזית: מדוע אלקטרונים מסוגלים לנוע בחומרים מסוימים אך אינם מסוגלים לנוע באחרים? לשם כך נזדקק למודל חדש — תורת הפסים.

---

3.3 יסודות תורת הפסים

לכאורה כל החומרים בנויים מאטומים, וכל האטומים מכילים אלקטרונים. מדוע אם כן נחושת מוליכה חשמל היטב ואילו זכוכית כמעט אינה מוליכה כלל? כדי לענות על שאלה זו פותחה תורת הפסים (Band Theory), אחד המודלים החשובים ביותר במדע החומרים המודרני. מטרתה להסביר כיצד המבנה האלקטרוני של החומר קובע את תכונותיו החשמליות.

רמות אנרגיה באטום

נתחיל מאטום בודד. לפי המודל הקוונטי, האלקטרונים אינם יכולים להימצא בכל ערך אנרגיה שרירותי — קיימות רמות אנרגיה בדידות בלבד. אלקטרון יכול להימצא ברמה מסוימת או ברמה אחרת, אך לא בערכי ביניים. רעיון זה שונה מאוד מן התמונה הקלאסית של אלקטרון המקיף את הגרעין כמו כוכב לכת סביב השמש.

לכל אטום יש מערך אופייני של רמות אנרגיה. האלקטרונים מאכלסים תחילה את הרמות בעלות האנרגיה הנמוכה ביותר, ורק לאחר מכן את הגבוהות יותר. באטום בודד רמות האנרגיה נפרדות היטב זו מזו.

היווצרות פסי אנרגיה

כעת נקרב שני אטומים זה לזה. כאשר הם מתקרבים, האלקטרונים שלהם מתחילים להשפיע זה על זה, וכתוצאה מכך כל רמת אנרגיה מקורית מתפצלת מעט לשתיים. אם נקרב שלושה אטומים, הפיצול יהיה גדול יותר. וכאשר מקרבים מספר עצום של אטומים — כפי שקורה בגביש אמיתי (בסדר גודל של $10^{23}$) — כל רמה בודדת מתפצלת למספר עצום של רמות קרובות מאוד זו לזו. מספר הרמות כה גדול עד שבפועל הן נראות כרצף כמעט רציף.

קבוצות אלה של רמות אנרגיה נקראות פסי אנרגיה (energy bands). בין הפסים עשויים להופיע תחומים שבהם אין כלל מצבים אלקטרוניים מותרים — תחומים אלה נקראים פערי אנרגיה (Band Gaps), ובהם אסור לאלקטרון לשהות.

מכאן נובע אחד הרעיונות החשובים ביותר בתורת הפסים: בחומר מוצק האלקטרונים אינם מאורגנים עוד סביב אטומים בודדים, אלא מאכלסים פסי אנרגיה השייכים לגביש כולו. במובן זה, הגביש כולו הוא כמו “אטום ענק” אחד.

פס הערכיות ופס ההולכה

מבין כל פסי האנרגיה, שניים חשובים במיוחד. הפס הראשון הוא פס הערכיות (valence band) — הפס המאוכלס על ידי האלקטרונים החיצוניים (אלקטרוני הערכיות) של האטומים. השני הוא פס ההולכה (conduction band) — אלקטרונים הנמצאים בו מסוגלים לנוע דרך הגביש בהשפעת שדה חשמלי ולתרום להולכה.

בין שני הפסים עשוי להופיע פער אנרגיה. גודלו של פער זה הוא אחד הגורמים המרכזיים הקובעים אם החומר יהיה מוליך, מוליך למחצה או מבודד. כאשר הפער קטן, אלקטרונים יכולים לעבור בקלות יחסית לפס ההולכה; כאשר הוא גדול, המעבר קשה מאוד.

רמת פרמי

כדי לתאר את התפלגות האלקטרונים משתמשים במושג נוסף: רמת פרמי (Fermi level). באופן פשטני, רמת פרמי היא רמת האנרגיה המפרידה בין מצבים מאוכלסים לבין מצבים שאינם מאוכלסים (בטמפרטורת האפס המוחלט). מיקומה ביחס לפסים מסביר מיד את התנהגות החומר:

• במתכות רמת פרמי נמצאת בתוך פס מאוכלס חלקית, או באזור שבו שני פסים חופפים. לכן קיימים תמיד מצבים פנויים קרובים מאוד באנרגיה, והאלקטרונים יכולים לנוע בקלות;
• במבודדים רמת פרמי נמצאת בתוך פער אנרגיה רחב, ואין מצבים פנויים סמוכים שאליהם האלקטרונים יכולים לעבור;
• במוליכים למחצה המצב ביניים: הפער קיים אך קטן יחסית, ולכן חלק מן האלקטרונים מסוגלים לעבור לפס ההולכה בעזרת אנרגיה תרמית, אור או תוספים מתאימים.

תורת הפסים מאפשרת לנו להבין לראשונה מדוע חומרים שונים מתנהגים באופן כה שונה — במקום להתמקד באטומים בודדים, היא מתארת את המבנה האלקטרוני של הגביש כולו.

אנרגיית האלקטרונים במרחב

עד כה תיארנו את פסי האנרגיה כאילו כל החומר אחיד לחלוטין. מודל זה מתאים היטב למתכת טהורה או לגביש מושלם, אך במציאות חומרים רבים אינם אחידים: ההרכב עשוי להשתנות ממקום למקום, ועלולים להופיע זיהומים, פגמים, גבולות גרעין או אזורי מגע בין חומרים שונים. במקרים כאלה גם מבנה פסי האנרגיה משתנה במרחב.

ניתן לדמיין את פסי האנרגיה כמעין נוף עבור האלקטרונים: באזורים מסוימים קל יותר לאלקטרונים לנוע, ובאחרים קשה יותר. במוליכים למחצה רעיון זה חשוב במיוחד. לדוגמה, כאשר יוצרים מגע בין מוליך למחצה מסוג p לבין מסוג n, פסי האנרגיה מתעקמים סמוך לגבול שבין החומרים. עקמומיות זו היא הבסיס לפעולתם של דיודות, טרנזיסטורים ורכיבים אלקטרוניים רבים — נחזור לכך בקצרה בהמשך הפרק.

3.4 מוליכים, מוליכים למחצה ומבודדים

כעת, לאחר שהכרנו את פסי האנרגיה, ניתן לחלק את רוב החומרים לשלוש קבוצות עיקריות — מוליכים, מוליכים למחצה ומבודדים. חשוב להדגיש: חלוקה זו אינה מבוססת על ההרכב הכימי, אלא על מבנה פסי האנרגיה.

מתכות

מתכות הן המוליכים החשמליים החשובים ביותר. מבחינה אלקטרונית, במתכת קיימים תמיד אלקטרונים המסוגלים לנוע בהשפעת שדה חשמלי, ומצב זה יכול להיווצר בשתי דרכים: או שפס ההולכה מאוכלס חלקית, או שפס הערכיות ופס ההולכה חופפים זה לזה. בשני המצבים קיימים מצבים פנויים סמוכים מאוד באנרגיה, ולכן האלקטרונים מסוגלים להגיב לשדה החשמלי, ומתקבלת מוליכות גבוהה מאוד.

נקודה מעניינת: הולכה מתכתית מאופיינת בדרך כלל גם במוליכות תרמית גבוהה, ואין זה מקרה — אותם אלקטרונים חופשיים אחראים הן להולכת החשמל והן להולכת החום. מסיבה זו מתכות הן בדרך כלל גם מוליכות חשמל טובות וגם מוליכות חום טובות (קשר זה ידוע ככלל וידמן–פרנץ). נחושת, כסף ואלומיניום הם דוגמאות טיפוסיות.

מוליכים למחצה

במוליכים למחצה קיים פער אנרגיה בין פס הערכיות לפס ההולכה, אך פער זה קטן יחסית. בטמפרטורת החדר, חלק מן האלקטרונים מקבלים אנרגיה תרמית מספקת כדי לקפוץ לפס ההולכה. במהלך המעבר נותר בפס הערכיות מצב ריק, הנקרא חור (hole).

מבחינה פיזיקלית החור אינו חלקיק אמיתי, אלא דרך נוחה לתאר את תנועתם הקולקטיבית של האלקטרונים שנותרו בפס הערכיות. למרות זאת, נוח להתייחס אליו כאל נושא מטען חיובי. לכן במוליכים למחצה קיימים שני סוגי נושאי מטען: אלקטרונים וחורים.

תכונה זו מעניקה למוליכים למחצה גמישות עצומה, ומאפשרת לשלוט במוליכותם באמצעות שינוי טמפרטורה, תאורה, או הוספת זיהומים בכמויות זעירות (סימום). צורן (Si) וגרמניום (Ge) הם הדוגמאות המפורסמות ביותר, וכמעט כל תעשיית המיקרואלקטרוניקה המודרנית מבוססת עליהם.

מבודדים

במבודדים קיים פער אנרגיה גדול בין פס הערכיות לפס ההולכה. בטמפרטורת החדר כמעט אין אלקטרונים המסוגלים לעבור לפס ההולכה, ולכן מספר נושאי המטען קטן מאוד והמוליכות נמוכה ביותר. זכוכית, יהלום, קרמיקות רבות ופולימרים רבים שייכים לקבוצה זו.

חשוב להבין נקודה עקרונית: אין הבדל מהותי בין מוליך למחצה לבין מבודד. בשני המקרים קיים פער אנרגיה, וההבדל הוא בעיקר בגודלו. לכן קיימת למעשה רציפות בין שתי הקבוצות, ולא גבול חד. היהלום, למשל, נחשב מבודד, אך הוא גם מוליך למחצה בעל פער רחב מאוד — וניתן אף לסמם אותו.

השוואה בין שלוש הקבוצות

סוג החומר	מצב פסי האנרגיה	מוליכות חשמלית
מתכת	פס מאוכלס חלקית או חפיפת פסים	גבוהה מאוד
מוליך למחצה	פער אנרגיה קטן	בינונית
מבודד	פער אנרגיה גדול	נמוכה מאוד

זוהי רק נקודת ההתחלה. גם בתוך כל קבוצה עשויים להופיע הבדלים עצומים: כסף מוליך טוב יותר מפלדת אל-חלד; צורן מוליך טוב יותר מתחמוצת אבץ טהורה; וזכוכית מוליכה טוב יותר מחלק מן הפולימרים. כדי להבין הבדלים אלה עלינו לבחון את מנגנוני ההולכה בפירוט רב יותר.

מבט אל המיקרואלקטרוניקה

כפי שראינו, ניתן לשנות את מבנה הפסים באמצעות זיהומים, שדות חשמליים או מגע בין חומרים שונים, ואז פסי האנרגיה משתנים ממקום למקום בתוך החומר. רעיון זה עומד בבסיס פעולתם של דיודות, טרנזיסטורים, תאים סולאריים, נוריות LED ורכיבים אלקטרוניים רבים אחרים. לא נעסוק במבנים אלה בפירוט, אך חשוב להבין שתורת הפסים איננה רק כלי לסיווג חומרים — היא גם השפה שבה מתארים את פעולתם של התקנים אלקטרוניים מודרניים.

---

3.5 מוליכות במתכות

מתכות הן המוליכים החשמליים החשובים ביותר בהנדסה: כבלי חשמל, פסי הולכה, מגעים, מנועים, גנרטורים ושנאים מבוססים עליהן. אך גם בין מתכות שונות קיימים הבדלים — כסף מוליך טוב יותר מנחושת, נחושת טוב יותר מאלומיניום, ואלומיניום טוב יותר מרוב הפלדות. כדי להבין הבדלים אלה, יש לבחון כיצד האלקטרונים נעים בתוך הגביש.

מנגנון ההולכה במתכות

במתכת קיימים אלקטרונים חופשיים. בהיעדר שדה חשמלי הם נמצאים בתנועה מתמדת, אך כיווני התנועה אקראיים ולכן הזרם הכולל אפס. כאשר מפעילים שדה חשמלי, התנועה האקראית נשמרת, אך נוסף לה רכיב קטן של תנועה מכוונת (מהירות סחיפה) — וזהו הזרם החשמלי.

אילו האלקטרונים היו נעים ללא הפרעה, המוליכות הייתה גבוהה לאין שיעור. בפועל הם מתנגשים שוב ושוב במכשולים שונים, והתנגשויות אלה (ליתר דיוק, אירועי פיזור) הן מקור ההתנגדות החשמלית. כאן עולה תובנה מפתיעה ממכניקת הקוונטים: בגביש מושלם לחלוטין, האלקטרון נע למעשה ללא התנגדות כלל — ההתנגדות נובעת תמיד מסטיות מן הסדר המושלם. שלוש סטיות עיקריות כאלה נדון בהן כעת.

השפעת הטמפרטורה

גם בגביש מושלם האטומים אינם עומדים במקומם — הם מבצעים תנודות תרמיות סביב מיקומיהם בסריג. ככל שהטמפרטורה עולה, התנודות מתחזקות, ומספר אירועי הפיזור בין האלקטרונים לסריג גדל. לכן ההתנגדות החשמלית של רוב המתכות גדלה עם הטמפרטורה.

בטווח טמפרטורות לא גדול ניתן לקרב התנהגות זו בקשר ליניארי:

$\rho ={\rho }_0(1+\alpha \Delta T)$

כאשר ${\rho }_0$ היא ההתנגדות סגולית בטמפרטורת הייחוס, $\alpha$ מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות, ו-$\Delta T$ שינוי הטמפרטורה. תופעה זו — התנגדות העולה עם הטמפרטורה — שונה מאוד מהתנהגותם של מוליכים למחצה, שבהם המוליכות דווקא עולה עם החימום (יותר אלקטרונים קופצים מעבר לפער). זהו, אגב, מבחן מעשי פשוט להבחנה בין השניים.

השפעת זיהומים

מתכת טהורה היא מקרה אידיאלי; בפועל רוב החומרים ההנדסיים הם סגסוגות. אטומי היסודות המומסים שונים מעט בגודלם ובמטענם מאטומי המתכת הבסיסית, ולכן הם מעוותים את הסריג סביבם (בדיוק כפי שראינו במנגנון החיזוק בתמיסה מוצקה, בפרק הראשון). עיוותים אלה מפזרים אלקטרונים ומגדילים את ההתנגדות.

לכן תוספת יסודות מסגסגים גורמת בדרך כלל לירידה במוליכות. מוליכותה של נחושת טהורה גבוהה בהרבה מזו של פליז, אף ששניהם מבוססים על נחושת; ואלומיניום טהור מוליך טוב יותר מרוב סגסוגות האלומיניום. מסיבה זו, קווי מתח גבוה וכבלי חשמל מיוצרים מאלומיניום או מנחושת בדרגת ניקיון גבוהה במיוחד. (כאן יש מתח הנדסי מובנה: לרוב מבקשים גם חוזק מכני וגם מוליכות, אך הסיגוג המחזק מוריד את המוליכות — ויש לאזן ביניהם.)

השפעת דפורמציה

דפורמציה פלסטית יוצרת מספר גדול של נקעים ופגמים גבישיים. כפי שלמדנו, פגמים אלה משפיעים על התכונות המכניות — ומתברר שהם משפיעים גם על החשמליות. הנקעים משבשים את המחזוריות המושלמת של הסריג ומשמשים מרכזי פיזור לאלקטרונים, ולכן ההתנגדות גדלה. התופעה בולטת במיוחד לאחר עיבוד פלסטי קר, כגון ערגול קר, משיכה, כיפוף או כבישה. לעיתים ניתן להחזיר חלק מן המוליכות באמצעות חישול, המקטין את צפיפות הפגמים (מנגנון שנפגוש שוב בפרק על עיבוד תרמי).

כלל מתיאסן

בדרך כלל מספר גורמים משפיעים על המוליכות בו-זמנית, וכלל מתיאסן (Matthiessen) קובע שההתנגדות הכוללת היא סכום התרומות של מנגנוני הפיזור השונים, הבלתי תלויים זה בזה:

$\rho ={\rho }_T+{\rho }_i+{\rho }_d$

כאשר ${\rho }_T$ היא תרומת התנודות התרמיות, ${\rho }_i$ תרומת הזיהומים, ו-${\rho }_d$ תרומת הפגמים המבניים. שים לב להבדל באופיין: ${\rho }_T$ תלויה בטמפרטורה ונעלמת בקירור, ואילו ${\rho }_i$ ו-${\rho }_d$ הן “התנגדות שיורית” שנשארת גם בטמפרטורות נמוכות מאוד. למרות פשטותו, מודל זה מסביר חלק גדול מן ההתנהגות החשמלית של מתכות וסגסוגות.

מוליכות-על

עד כה הנחנו שתמיד קיימת התנגדות מסוימת. אולם בחומרים מסוימים, כאשר הטמפרטורה יורדת מתחת לערך קריטי, ההתנגדות החשמלית נעלמת לחלוטין — תופעה הנקראת מוליכות-על (superconductivity). מוליך-על מעביר זרם ללא כל איבוד אנרגיה, ובנוסף דוחה שדות מגנטיים מתוכו (אפקט מייסנר).

מוליכי-על משמשים כיום, בין היתר, במכשירי MRI, במאיצי חלקיקים ובמערכות מחקר מתקדמות. למרות חשיבותם, הם מהווים משפחה מיוחדת של חומרים, והדיון המלא בהם חורג ממסגרת ספר זה.

המוליכות המתכתית מבוססת, אם כן, על תנועת אלקטרונים חופשיים בתוך הסריג. בחומרים אחרים התמונה עשויה להיות שונה לחלוטין.

---

3.6 מוליכות בקרמיקות ובפולימרים

בקרמיקות ובפולימרים המצב שונה בדרך כלל מזה של מתכות. חומרים אלה נחשבים לרוב למבודדים, אך למעשה קיימת ביניהם שונות גדולה מאוד: חלקם אכן מבודדים מצוינים, בעוד אחרים מסוגלים להוליך מטען במנגנונים שונים לחלוטין מאלה של מתכות.

מוליכות אלקטרונית

רוב הקרמיקות מאופיינות בפערי אנרגיה גדולים, ולכן מספר האלקטרונים המגיעים לפס ההולכה קטן מאוד והמוליכות נמוכה. עם זאת, קיימים יוצאים מן הכלל: תחמוצות מסוימות, קרבידים, ניטרידים וחומרים קרמיים מיוחדים עשויים להציג מוליכות אלקטרונית משמעותית, ולעיתים ניתן לשפר אותה בתוספים — בדומה לסימום במוליכים למחצה. מסיבה זו משמשות קרמיקות מסוימות כגופי חימום, כאלקטרודות, כחיישנים וכרכיבים אלקטרוניים מיוחדים.

מוליכות יונית

בחומרים רבים ההולכה אינה אלקטרונית אלא יונית. לשם כך דרושים שני תנאים: קיומם של יונים ניידים, וקיומם של מסלולי מעבר בתוך המבנה הגבישי. בדרך כלל המוליכות היונית גדלה במהירות עם הטמפרטורה, משום שתנועת היונים דורשת אנרגיית שפעול — היון חייב “לקפוץ” מעל מחסום אנרגטי כדי לעבור ממקום למקום, והחום מסייע לו בכך. (זוהי, שוב, התנהגות הפוכה לזו של מתכת.)

חומרים כאלה נקראים אלקטרוליטים מוצקים. במבט ראשון הרעיון נראה מוזר: כיצד ייתכן שמוצק מוליך יונים? אך כאן מתחבר הפרק ישירות לפרק על פגמים בגבישים: במבנים גבישיים מסוימים קיימים חללים ואתרים פנויים (פגמי נקודה) המאפשרים ליונים לקפוץ ממקום למקום. בלי הפגמים — אין הולכה.

דוגמה: תאי דלק מוצקים

אחד היישומים החשובים ביותר של מוליכות יונית הוא תא הדלק המוצק (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell). בתא כזה האלקטרוליט הוא קרמיקה מוצקה (לרוב זירקוניה מיוצבת) המוליכה יוני חמצן בטמפרטורות גבוהות. האלקטרונים אינם עוברים דרך האלקטרוליט אלא דרך המעגל החיצוני — וכך מתקבל זרם חשמלי שמיש.

דוגמה זו ממחישה עיקרון יפה: אותו חומר שנחשב בעבר ל”מבודד” עשוי להפוך לרכיב פונקציונלי מרכזי, ברגע שמבינים את מנגנון ההולכה שלו ומתכננים אותו בהתאם.

מוליכים מעורבים

בחלק מן הקרמיקות מתקיימות במקביל מוליכות אלקטרונית ומוליכות יונית — אלה הם המוליכים המעורבים (סוג שלישי, שהזכרנו בתחילת הפרק). יש להם חשיבות רבה בטכנולוגיות אנרגיה מתקדמות, משום שהם מאפשרים מעבר בו-זמני של אלקטרונים ושל יונים, למשל באלקטרודות של תאי דלק.

מוליכות בפולימרים

מרבית הפולימרים הם מבודדים טובים, וזו אחת הסיבות לשימוש הנרחב בהם כציפויים, כבידוד כבלים וכמעטפות. המוליכות הנמוכה נובעת מכך שהאלקטרונים קשורים היטב לקשרים הכימיים (הקוולנטיים) ואינם נעים בחופשיות.

עם זאת, בסוף המאה העשרים התברר שקיימת משפחה מיוחדת של פולימרים מוליכים. בחומרים אלה מבנה הקשרים (קשרים כפולים מצומדים לאורך השרשרת) מאפשר לאלקטרונים לנוע לאורך שרשרת הפולימר, ולאחר סימום מתאים מוליכותם עשויה להגיע לערכים גבוהים בהרבה מן הצפוי. גילוי זה (שזכה בפרס נובל לכימיה לשנת 2000) פתח תחומי יישום חדשים: צגים אלקטרוניים, תאים סולאריים אורגניים, חיישנים ורכיבים אלקטרוניים גמישים.

השפעת פגמים ותוספים

בדומה למתכות, גם בקרמיקות ובפולימרים פגמים משפיעים על המוליכות — אך לעיתים ההשפעה הפוכה. במתכת טהורה פגמים מקטינים את המוליכות (הם מפזרים אלקטרונים). לעומת זאת, במוליכים יוניים מסוימים פגמים דווקא חיוניים להולכה: יצירת ריכוז מתאים של אתרים פנויים מקלה על תנועת היונים ומגדילה את המוליכות.

זהו אחד הרעיונות העמוקים של הפרק: בעוד שבמתכת אנו שואפים ל”סדר” מושלם להולכה טובה, במוליך יוני אנו דווקא מהנדסים פגמים בכוונה. תכנון חומרים מוליכים רבים מבוסס בדיוק על הנדסה מכוונת של פגמים ותוספים.

---

סיכום הפרק

• זרם חשמלי הוא תנועה מסודרת של מטען; התנגדות ומוליכות מתארות את יכולת החומר להעבירו, ולהשוואה בין חומרים משתמשים בגדלים הסגוליים.
• ניתן לחלק מוליכים לפי מנגנון: אלקטרוניים (סוג ראשון), יוניים (סוג שני) ומעורבים (סוג שלישי).
• תורת הפסים מסבירה את ההבדל בין מוליכים, מוליכים למחצה ומבודדים — לפי מבנה פסי האנרגיה וגודל פער האנרגיה, ולא לפי ההרכב הכימי.
• במוליכים למחצה קיימים שני נושאי מטען — אלקטרונים וחורים — וניתן לשלוט במוליכותם בטמפרטורה, באור ובסימום.
• במתכות, ההתנגדות נובעת מסטיות מן הסדר המושלם: תנודות תרמיות, זיהומים ופגמים — המתחברים בכלל מתיאסן. ההתנגדות עולה עם הטמפרטורה (הפוך ממוליך למחצה).
• במוליכות-על ההתנגדות נעלמת לחלוטין מתחת לטמפרטורה קריטית.
• בקרמיקות ובפולימרים פועלים מנגנונים נוספים, ובמיוחד מוליכות יונית (אלקטרוליטים מוצקים), התלויה בפגמים ובאנרגיית שפעול וגדלה עם הטמפרטורה.
• לעיתים פגמים דווקא משפרים את המוליכות — ומכאן ההנדסה המכוונת של פגמים ותוספים.

בפרק הבא נעבור מן הנפח הפנימי של החומר אל אזור דק בהרבה, אך חשוב לא פחות — פני השטח.