Fast tillståndsfysikegenskaper, struktur, exempel

De Solid state fysik Det är grenen av fysik som handlar om att studera materien när det är i ett tillstånd av låg energi, kallad fast tillstånd, Genom användning av fysiska teorier som kvantmekanik, statistisk fysik, termodynamik, elektromagnetism och kristallografi.

I fast tillstånd är intermolekylär attraktionsenergi mindre än termisk energi, därför kan molekylerna knappt vibrera runt mer eller mindre fasta positioner. Vissa fasta ämnen är amorfa på molekylnivå, medan andra har mer ordnad struktur, till exempel kristaller.

Några exempel på fasta material är kiseldioxidsand, glas, grafit (mineralkol), vanligt salt, raffinerat socker, järn, koppar, magnetit, kvarts och många fler.

[TOC]

Fast tillståndsegenskaper

Fasta material har huvudkarakteristiken att under normala förhållanden, det vill säga om de inte är föremål för stora externa ansträngningar, behåller de sin volym och form.

Detta står i kontrast till vätskor som, även om de kan behålla sin volym, ändra formen genom att anpassa sig till behållaren som innehåller dem. Kontrasten är ännu större med gaser, eftersom dessa kan komprimeras eller utvidgas genom att ändra deras volym och form.

Fasta ämnen kan emellertid variera sin volym när de utsätts för temperaturförändringar tillräckligt breda för att ha anmärkningsvärda effekter, men utan en fasövergång inträffar till ett annat material.

Fasta ämnen kan vara amorfa i sin inre molekylstruktur. Till exempel är glas ett amorft material, till och med betraktas av många som en överförstärkad vätska. Kvarts och diamant har emellertid en kristallin struktur, det vill säga deras atomer följer regelbundna och rumsligt periodiska arrangemang.

Makroskopiska och mikroskopiska egenskaper

Solid tillståndsfysik studerar förhållandet mellan makroskopiska skalegenskaper (tusentals eller miljoner gånger högre i atomskalan) och egenskaperna i molekylär eller atomskala.

Det kan tjäna dig: magnetisk permeabilitet: konstant och bord

I ett fast ämne är atomer mycket nära varandra och interaktionen mellan dem bestämmer sina egenskaper i makroskala, såsom deras mekaniska egenskaper: styvhet och duktilitet, och även deras termiska, magnetiska, optiska och elegenskaper.

Till exempel är konduktivitet, värmekapacitet och magnetisering makroskopiska egenskaper hos fasta ämnen som beror direkt på vad som händer i molekylär eller atomisk skala.

Ett tydligt exempel på vikten av fast fysik är halvledare. Att förstå dess egenskaper på mikroskopisk nivå tillåter enheter som transistorer, dioder, integrerade kretsar och LED -lampor, bara för att nämna några applikationer.

Fast struktur

Beroende på tryck- och temperaturförhållandena, liksom de processer som följs under deras bildning, förvärvar fasta material en viss mikroskopisk struktur.

Till exempel är material som är så olika som grafit och diamant endast sammansatt av kolatomer. Men dess egenskaper är helt olika, eftersom trots att de består av samma typ av atomer, skiljer sig deras mikroskopiska strukturer mycket.

Mikroskopisk struktur av diamant och grafit

Metallurgispecialister vet att baserat på samma material, med olika termiska behandlingar, erhålls mycket olika resultat i utarbetandet av bitar, till exempel knivar och svärd. Olika behandlingar leder till olika mikroskopiska strukturer.

Beroende på deras bildning kan fasta ämnen i princip presentera tre typer av mikroskopiska strukturer:

• Amorf, Om det inte finns någon rumslig regelbundenhet i arrangemanget av atomer och molekyler.
• Monokristallin, Om atomer är ordnade i en rumslig ordning, bildar arrangemang eller celler som upprepas på obestämd tid i de tre dimensionerna.
• Polyristisk, Består av flera regioner, inte symmetriska med varandra, där varje region har sin egen monocystallina struktur.

Kan tjäna dig: ceded värme: formler, hur man beräknar den och lösta övningar

Modeller av de fasta och dess egenskaper

Fysiken i den fasta delen av grundläggande principer för att förklara egenskaperna hos fasta material, såsom värmeledningsförmåga och elektrisk konduktivitet.

Till exempel, genom att tillämpa kinetisk teori på en metallfri elektroner, behandlas de som om de var en gas.

Och under antagandet att joner bildar ett rörligt underlag är det möjligt att förklara både den elektriska konduktiviteten och metallernas värmeledningsförmåga. Även i den klassiska versionen av denna modell är värmeledningsförmågan hos fria elektroner större än vad som erhålls från mätningar i ledande material.

Besväret löses genom att införa kvantkorrigeringar till den fria elektronmodellen för en solid ledare. Dessutom, om de ska följa Fermi-Dirac Statistics, är teoretiska förutsägelser mer exakt med experimentella mätningar.

Den fria elektronmodellen kan dock inte förklara värmeledningsförmågan hos fasta ämnen som inte är metaller.

I detta fall måste interaktionen mellan elektroner och det kristallina nätverket beaktas, som modelleras av periodisk potential i Schrodinger -ekvationen. Denna modell förutsäger körband beroende på elektronerenergi och förklarar elektrisk ledningsförmåga i halvledarfasta ämnen, en typ av mellanliggande fastigheter mellan isolator och ledande metall.

Exempel på fast tillstånd

Fysiken i det fasta tillståndet har utvecklats till den punkt som har möjliggjort upptäckten av nya material som fasta nanomaterial Med unika och extraordinära egenskaper.

Ett annat fall av exempel i utvecklingen av fast fysik är utvecklingen av två dimensionella eller monolagsmaterial, följt av olika tillämpningar såsom fotovoltaiska celler och utvecklingen av halvledarintegrerade kretsar.

Kan tjäna dig: vikt (fysisk): beräkning, enheter, exempel, övningar Grafen nanotubus

Det klassiska exemplet på två dimensionellt material är Grafen, vilket inte är annat än en enda Kapgraf och som erhölls för första gången 2004.

Andra exempel på två dimensionella fasta ämnen är: fosforeno, plumben, silicen och germacen.

Superledare med hög temperatur

Levitation av en magnet med hjälp av en keramisk superledare med hög temperatur

Superledningsförmågan upptäcktes 1911 av den nederländska Kamerlingh Onnes (1853-1926) när den underkastades mycket låga temperaturer (i storleksordningen 4 K) ledande material som kvicksilver, tenn och bly.

Superconductivity har viktiga tekniska tillämpningar, såsom magnetiska levitationståg, så länge det kan erhållas vid höga temperaturer (helst vid rumstemperatur).

Det fasta fysiken är i denna sökning efter superledare, som förstås genom hög temperatur över temperaturen på flytande kväve (77 K), en relativt enkel och billig temperatur att få. Hittills är den högsta temperaturen superledaren ett keramiskt fast ämne som når detta tillstånd vid en temperatur av 138 K eller -135ºC.

Starkt korrelerade fasta ämnen

De starkt korrelerade fasta ämnena är tunga fermioniska föreningar som har ovanliga och stora tekniska potentialegenskaper. Till exempel kan de manipuleras för att flytta från isolatorer till förare genom magnetfält.

Utvecklingen av denna typ av fasta ämnen har också gjort det möjligt för de magnetiska lagringsenheterna för information att exponentiellt öka deras kapacitet under de senaste decennierna.

Intresse teman

Exempel på fasta ämnen.

Referenser

1. Martin, Joseph D. 2015. "Vad är i en namnändring? Solid State Physics, Condensed Matter Physics and Materials Science ”(PDF). Fysik i perspektiv. 17 (1): 3-32.
2. Kittel, Charles. nittonhundranittiofem. Introduktion till solid tillståndsfysik. Redaktionell.
3. Ashcroft och Mermin. 1976. Solid state fysik. Saunders College.
4. Sheng s. Li. 2000. Fysisk elektronik halvledare. Kabell.
5. Wikipedia. Solid state fysik. Återhämtad från: är.Wikipedia.com