Solidstatens fysikkegenskaper, struktur, eksempler

De Solid State Physics Det er grenen av fysikk som omhandler studiet av materie når det er i en tilstand av lav energi, kalt Solid tilstand, Gjennom bruk av fysiske teorier som kvantemekanikk, statistisk fysikk, termodynamikk, elektromagnetisme og krystallografi.

I fast tilstand er intermolekylær attraksjonsenergi mindre enn termisk energi, derfor kan molekylene knapt vibrere rundt mer eller mindre faste posisjoner. Noen faste stoffer er amorfe på molekylært nivå, mens andre har mer ordnet struktur, for eksempel krystaller.

Noen eksempler på faste materialer er silikasand, glass, grafitt (mineralkull), vanlig salt, raffinert sukker, jern, kobber, magnetitt, kvarts og mange flere.

[TOC]

Solid state egenskaper

Solide materialer har hovedkarakteristikken at de under normale forhold, det vil si hvis de ikke er utsatt for stor ytre innsats, opprettholder de volum og form.

Dette står i kontrast til væsker som, selv om de kan opprettholde volumet, endre formen ved å tilpasse seg beholderen som inneholder dem. Kontrasten er enda større med gasser, siden disse kan komprimeres eller utvides ved å endre volum og form.

Imidlertid kan faste stoffer variere volumet når de blir utsatt for temperaturendringer bredt nok til å ha bemerkelsesverdige effekter, men uten faseovergang oppstår en annen tilstand av materie.

Faststoffer kan være amorf i dens indre molekylstruktur. For eksempel er glass et amorft materiale, til og med ansett av mange som en over-ufulle væske. Imidlertid har kvarts og diamant en krystallinsk struktur, det vil si atomene deres følger regelmessige og romlig periodiske arrangementer.

Makroskopiske og mikroskopiske egenskaper

Fysikkfysikk studerer forholdet mellom makroskopiske skalaegenskaper (tusenvis eller millioner av ganger høyere i atomskalaen) og egenskapene i molekyl eller atomskala.

Det kan tjene deg: magnetisk permeabilitet: konstant og bord

I et faststoff er atomer veldig nær hverandre, og samspillet mellom dem bestemmer egenskapene deres i makroskala, for eksempel deres mekaniske egenskaper: stivhet og duktilitet, og også deres termiske, magnetiske, optiske og elektrisitetsegenskaper.

For eksempel er konduktivitet, varmekapasitet og magnetisering makroskopiske egenskaper til faste stoffer som avhenger direkte av hva som skjer i molekylær eller atomskala.

Et tydelig eksempel på viktigheten av solid fysikk er halvledere. Å forstå dens egenskaper på mikroskopisk nivå tillater enheter som transistorer, dioder, integrerte kretsløp og LED -lys, bare for å nevne noen få applikasjoner.

Solid struktur

Avhengig av trykk- og temperaturforholdene, så vel som prosessene som ble fulgt under dannelsen, får faste materialer en viss mikroskopisk struktur.

For eksempel er materialer så forskjellige som grafitt og diamant bare sammensatt av karbonatomer. Men dens egenskaper er helt forskjellige, for til tross for at de er sammensatt av samme type atomer, er deres mikroskopiske strukturer veldig forskjellige.

Mikroskopisk struktur av diamant og grafitt

Metallurgi -spesialister vet at, basert på det samme materialet, med forskjellige termiske behandlinger, oppnås veldig forskjellige resultater ved utdyping av stykker, for eksempel kniver og sverd. Ulike behandlinger fører til forskjellige mikroskopiske strukturer.

Avhengig av dannelsen deres, kan faste stoffer i utgangspunktet presentere tre typer mikroskopiske strukturer:

• Amorf, Hvis det ikke er noen romlig regelmessighet i arrangementet av atomer og molekyler.
• Monokrystallinsk, Hvis atomer er ordnet i en romlig rekkefølge, danner ordninger eller celler som gjentas på ubestemt tid i de tre dimensjonene.
• Polyristalin, Sammensatt av flere regioner, ikke symmetrisk med hverandre, der hver region har sin egen monocystallinske struktur.

Kan tjene deg: avsagt varme: Formler, hvordan du beregner det og løste øvelser

Modeller av fysikken i det faste stoffet og dets egenskaper

Fysikken i den solide delen av grunnleggende prinsipper for å forklare egenskapene til faste materialer, for eksempel termisk ledningsevne og elektrisk ledningsevne.

Ved å bruke kinetisk teori på en metallfri elektroner, blir de for eksempel behandlet som om de var en gass.

Og under antagelsen om at ioner danner et ubevegelig underlag, er det mulig å forklare både den elektriske ledningsevnen og metallens termiske ledningsevne. Selv om den klassiske versjonen av denne modellen i den klassiske versjonen av denne modellen er større enn det som er oppnådd fra målinger i ledende materialer.

Ulempen løses ved å innføre kvantekorreksjoner til den frie elektronmodellen til en solid leder. I tillegg, hvis de skal følge Fermi-Dirac-statistikken, er teoretiske spådommer mer presist med eksperimentelle målinger.

Imidlertid kan ikke Free Electrons -modellen forklare den termiske konduktiviteten til faste stoffer som ikke er metaller.

I dette tilfellet må interaksjonen mellom elektroner med det krystallinske nettverket tas i betraktning, som er modellert etter periodisk potensial i Schrodinger -ligningen. Denne modellen spår at drivbånd er avhengig av elektronerenergi og forklarer elektrisk konduktivitet i halvleder faste stoffer, en type mellomfaststoff mellom isolator og ledende metall.

Eksempler på solid tilstand

Fysikken i den solide staten har utviklet seg til det punktet som har tillatt oppdagelsen av nye materialer som som Solide nanomaterialer Med unike og ekstraordinære egenskaper.

Et annet tilfelle av eksempel på fremskritt av fast fysikk er utviklingen av to -dimensjonale eller monolagsmaterialer, etterfulgt av forskjellige anvendelser som fotovoltaiske celler og utvikling av halvlederintegrerte kretsløp.

Kan tjene deg: vekt (fysisk): beregning, enheter, eksempler, øvelser Graphene Nanotubus

Det klassiske eksemplet på to -dimensjonalt materiale er Grafen, Noe som ikke er annet enn en enkelt kappegraf og som ble oppnådd for første gang i 2004.

Andre eksempler på to -dimensjonale faste stoffer er: fosforen, plumben, silisen og germacen.

Superledere med høy temperatur

Levitasjon av en magnet ved hjelp av en keramisk superleder med høy temperatur

Superledelsen ble oppdaget i 1911 av den nederlandske Kamerlingh Onnes (1853-1926) da den sendte inn svært lave temperaturer (i rekkefølgen på de 4 k) ledende materialer som kvikksølv, tinn og bly.

Superledelse har viktige teknologiske anvendelser, for eksempel magnetiske levitasjonstog, så lenge det kan oppnås ved høye temperaturer (ideelt ved romtemperatur).

Fysikken i det faste stoffet er i dette søket etter superledere, og blir forstått ved høy temperatur over temperaturen på flytende nitrogen (77 K), en relativt enkel og billig temperatur for å oppnå. Til dags dato er den høyeste temperatur -superlederen et keramisk fast stoff som når denne tilstanden ved en temperatur på 138 K eller -135 ºC.

Sterkt korrelerte faste stoffer

De sterkt korrelerte faste stoffene er tunge fermioniske forbindelser som har uvanlige og store teknologiske potensielle egenskaper. For eksempel kan de manipuleres for å gå fra isolatorer til sjåfører gjennom magnetfelt.

Utviklingen av denne typen faste stoffer har også tillatt magnetiske lagringsenheter for informasjon å ha eksponentielt å øke kapasiteten de siste tiårene.

Temaer av interesse

Eksempler på faste stoffer.

Referanser

1. Martin, Joseph D. 2015. "Hva er i en navnendring? Solid State Physics, Condensed Matter Physics and Materials Science ”(PDF). Fysikk i perspektiv. 17 (1): 3-32.
2. Kittel, Charles. nitten nitti fem. Introduksjon til Solid State Physics. Redaksjonell REVERTE.
3. Ashcroft og Mermin. 1976. Solid State Physics. Saunders College.
4. Sheng s. Li. 2000. Fysisk elektronikk halvleder. Springer-Verlag.
5. Wikipedia. Solid State Physics. Gjenopprettet fra: er.Wikipedia.com