Lastnosti fizike v trdnem stanju, struktura, primeri

The Fizika trdne države Podružnica fizike se ukvarja s preučevanjem materije, ko je v stanju nizke energije, imenovana trdno stanje, Z uporabo fizikalnih teorij, kot so kvantna mehanika, statistična fizika, termodinamika, elektromagnetizem in kristalografija.

V trdnem stanju je medmolekularna energija privlačnosti manjša od toplotne energije, zato molekule lahko komaj vibrirajo okoli bolj ali manj fiksnih položajev. Nekatere trdne snovi so amorfne na molekularni ravni, druge pa bolj urejene strukture, kot so kristali.

Nekaj ​​primerov trdnih materialov so silicijev pesek, steklo, grafit (mineralni premog), navadna sol, rafinirani sladkor, železo, baker, magnetit, kremen in še veliko več.

[TOC]

Značilnosti trdnega stanja

Trdni materiali imajo glavno značilnost, da v normalnih pogojih, torej če niso podvrženi velikim zunanjim prizadevanjem, ohranjajo svojo glasnost in obliko.

To je v nasprotju s tekočinami, ki, čeprav lahko ohranijo svojo glasnost. Kontrast je s plini še večji, saj jih je mogoče stisniti ali razširiti s spreminjanjem njihove volumna in oblike.

Vendar pa trdne snovi lahko spreminjajo volumen, ko so podvržene temperaturnim spremembam dovolj široke, da imajo opazne učinke, vendar brez faznega prehoda pride do drugega stanja snovi.

Trdne snovi so lahko amorfne v svoji notranji molekularni strukturi. Na primer, steklo je amorfni material, ki ga mnogi štejejo celo za pretirano infrazirano tekočino. Vendar imata kremen in diamant kristalno strukturo, to je, da njihovi atomi sledijo rednim in prostorsko občasnim ureditvam.

Makroskopske in mikroskopske lastnosti

Fizika v trdnem stanju preučuje razmerje med lastnostmi makroskopske lestvice (na tisoče ali milijone krat več na atomski lestvici) in lastnosti na molekularni ali atomski lestvici.

Lahko vam služi: magnetna prepustnost: konstanta in tabela

V trdni snovi so atomi zelo blizu drug drugemu in interakcija med njimi določa njihove lastnosti v makro lestvici, kot so njihove mehanske značilnosti: togost in duktilnost ter tudi njihove toplotne, magnetne, optične in električne lastnosti.

Na primer, prevodnost, zmogljivost toplote in magnetizacija so makroskopske lastnosti trdnih snovi, ki so neposredno odvisne od tega, kaj se zgodi na molekularni ali atomski lestvici.

Jasen primer pomembnosti trdne fizike so polprevodniki. Razumevanje njegovih lastnosti na mikroskopski ravni omogoča naprave, kot so tranzistorji, diode, integrirana vezja in LED luči, če naštejem nekaj aplikacij.

Trdna struktura

Odvisno od tlačnih in temperaturnih pogojev ter postopkov, ki jih sledijo med tvorbo, trdni materiali pridobijo določeno mikroskopsko strukturo.

Na primer, materiali, ki so različni kot grafit in diamant, so sestavljeni samo iz ogljikovih atomov. Toda njegove lastnosti so popolnoma drugačne, saj se kljub temu, da so sestavljene iz iste vrste atomov, njihove mikroskopske strukture močno razlikujejo.

Mikroskopska struktura diamanta in grafita

Metalurgijski strokovnjaki vedo, da na podlagi istega materiala z različnimi toplotnimi tretmaji dobimo zelo različni rezultati pri izdelavi kosov, kot so noži in meči. Različni obdelavi vodijo do različnih mikroskopskih struktur.

Odvisno od njihove tvorbe lahko trdne snovi v osnovi predstavljajo tri vrste mikroskopskih struktur:

• Amorfno, Če pri razporeditvi atomov in molekul ni prostorske pravilnosti.
• Monokristalno, Če so atomi razporejeni v prostorskem vrstnem redu, tvorijo ureditve ali celice, ki se v treh dimenzijah ponavljajo v nedogled.
• Poliristalin, Sestavljen iz več regij, ki niso simetrične med seboj, kjer ima vsaka regija svojo monocistalno strukturo.

Vam lahko služi: cedirana toplota: formule, kako jo izračunati in rešiti vaje

Modeli fizike trdnih in njegovih lastnosti

Fizika trdnega dela temeljnih načel za razlago lastnosti trdnih materialov, kot sta toplotna prevodnost in električna prevodnost.

Na primer, z uporabo kinetične teorije na kovinskih elektronih se obravnavajo, kot da bi bili plin.

In pod predpostavko, da ioni tvorijo negibno podlago, je mogoče razložiti tako električno prevodnost kot toplotno prevodnost kovin. Čeprav je v klasični različici tega modela toplotna prevodnost prostih elektronov večja od tiste, ki jo dobimo pri meritvah v prevodnih materialih.

Nevšečnosti se reši z uvedbo kvantnih popravkov v prosti model elektrona trdnega prevodnika. Poleg tega, če naj bi sledili statistiki Fermi-Dirac, se teoretične napovedi natančneje strinjajo z eksperimentalnimi meritvami.

Vendar model prostih elektronov ne more razložiti toplotne prevodnosti trdnih snovi, ki niso kovine.

V tem primeru je treba upoštevati interakcijo elektronov s kristalnim omrežjem. Ta model napoveduje, da so gonilni pasovi odvisni od energije elektronov, in pojasnjuje električno prevodnost v polprevodniških trdnih snovi, vrsto vmesne trdne snovi med izolatorjem in prevodno kovino.

Primeri trdnih držav

Fizika trdnega stanja se je razvila do točke, ki je omogočila odkrivanje novih materialov, kot je trdni nanomateriali Z edinstvenimi in izrednimi lastnostmi.

Drug primer pri napredovanju trdne fizike je razvoj dveh dimenzionalnih ali enoplastnih materialov, ki mu sledijo raznolike aplikacije, kot so fotovoltaične celice in razvoj integriranih vezij polprevodnikov.

Vam lahko služi: teža (fizična): izračun, enote, primeri, vaje Graphene nanotubus

Klasičen primer dveh dimenzijskih materialov je Grafen, kar ni nič drugega kot en sam Cape graf in ki je bil prvič pridobljen leta 2004.

Drugi primeri dveh dimenzionalnih trdnih snovi so: fosforeno, vodnjak, silicen in germacene.

Superprevodniki visoke temperature

Levitacija magneta s pomočjo visokotemperaturnega keramičnega superprevodnika

Superprevodnost je leta 1911 odkrila nizozemski Kamerlingh Onnes (1853-1926), ko se je podredila zelo nizkim temperaturam (vrstnega reda 4 K) prevodnih materialov, kot so živo srebro, kositer in svinec.

Superprevodnost ima pomembne tehnološke uporabe, kot so magnetni levitacijski vlaki, dokler jo je mogoče dobiti pri visokih temperaturah (v idealnem primeru pri sobni temperaturi).

Fizika trdne snovi je v tem iskanju superprevodnikov, ki jih razume visoka temperatura nad temperaturo tekočega dušika (77 K), razmeroma enostavna in poceni temperatura za pridobitev. Do danes je najvišji temperaturni superprevodnik keramična snov, ki doseže to stanje pri temperaturi 138 K ali -135 ° C.

Močno povezane trdne snovi

Močno korelirane trdne snovi so težke fermionske spojine, ki imajo nenavadne in velike tehnološke lastnosti. Na primer, z njimi je mogoče manipulirati, da se premikajo iz izolatorjev na voznike po magnetnih poljih.

Razvoj te vrste trdnih snovi je tudi omogočil, da so naprave za magnetno skladiščenje informacij v zadnjih desetletjih eksponentno povečale njihovo zmogljivost.

Teme, ki jih zanimajo

Primeri trdnih snovi.

Reference

1. Martin, Joseph D. 2015. "Kaj je v spremembi imena? Fizika trdne države, fizika kondenzirane snovi in ​​znanost o materialih “(PDF). Fizika v perspektivi. 17 (1): 3-32.
2. Kittel, Charles. Devetnajst devetdeset pet. Uvod v fiziko v trdni državi. Uredništvo Reverte.
3. Ashcroft in Mermin. 1976. Fizika trdne države. Saunders College.
4. Sheng s. Li. 2000. Fizična elektronika polprevodnik. Springer-Verlag.
5. Wikipedija. Fizika trdne države. Okrevano od: je.Wikipedija.com