Materia atomowa

Przewodniki i izolatory

Sposób, w jaki atomy łączą się, wpływa na właściwości elektryczne materiałów, które tworzą. Na przykład w materiałach połączonych wiązaniem metalicznym elektrony swobodnie unoszą się między jonami metalu. Te elektrony będą mogły się swobodnie poruszać, jeśli zostanie przyłożona siła elektryczna. Na przykład, jeśli drut miedziany jest przymocowany przez bieguny baterii, elektrony będą płynąć wewnątrz drutu. Tak więc przepływa prąd elektryczny, a miedź jest uważana za przewodnik.

Przepływ elektronów wewnątrz przewodnika nie jest jednak tak prosty. Wolny elektron będzie przez chwilę przyspieszany, ale następnie zderzy się z jonem. W procesie zderzenia część energii uzyskanej przez elektron zostanie przeniesiona na jon. W rezultacie jon będzie poruszał się szybciej, a obserwator zauważy wzrost temperatury drutu. Ta konwersja energii elektrycznej z ruchu elektronów na energię cieplną nazywa się oporem elektrycznym. W materiale o wysokiej rezystancji drut szybko się nagrzewa w miarę przepływu prądu elektrycznego. W materiale o niskiej rezystancji, takim jak drut miedziany, większość energii pozostaje z poruszającymi się elektronami, więc materiał ten dobrze przenosi energię elektryczną z jednego punktu do drugiego. Jego doskonałe właściwości przewodzące oraz stosunkowo niski koszt sprawiają, że miedź jest powszechnie stosowana w instalacjach elektrycznych.

Dokładnie odwrotna sytuacja występuje w materiałach takich jak tworzywa sztuczne i ceramika, w których wszystkie elektrony są zablokowane w wiązaniach jonowych lub kowalencyjnych. Gdy tego rodzaju materiały są umieszczane między biegunami akumulatora, nie płynie żaden prąd - po prostu nie ma swobodnych ruchów elektronów. Takie materiały nazywane są izolatorami.

Właściwości magnetyczne

Właściwości magnetyczne materiałów są również związane z zachowaniem elektronów w atomach. Elektron na orbicie można traktować jako miniaturową pętlę prądu elektrycznego. Zgodnie z prawami elektromagnetyzmu taka pętla wytworzy pole magnetyczne. Każdy elektron na orbicie wokół jądra wytwarza własne pole magnetyczne, a suma tych pól, wraz z wewnętrznymi polami elektronów i jądra, określa pole magnetyczne atomu. O ile wszystkie te pola się nie zlikwidują, atom może być uważany za mały magnes.

W większości materiałów te magnesy atomowe wskazują w losowych kierunkach, tak że sam materiał nie jest magnetyczny. W niektórych przypadkach - na przykład, gdy losowo zorientowane magnesy atomowe są umieszczone w silnym zewnętrznym polu magnetycznym - ustawiają się w jednej linii, wzmacniając w tym procesie pole zewnętrzne. Zjawisko to znane jest jako paramagnetyzm. W kilku metalach, takich jak żelazo, siły międzyatomowe są takie, że magnesy atomowe ustawiają się w liniach ponad regionami o średnicy kilku tysięcy atomów. Regiony te nazywane są domenami. W zwykłym żelazie domeny są zorientowane losowo, więc materiał nie jest magnetyczny. Jeśli jednak żelazo zostanie umieszczone w silnym polu magnetycznym, domeny staną w jednej linii i pozostaną ustawione w linii nawet po usunięciu zewnętrznego pola. W rezultacie kawałek żelaza uzyska silne pole magnetyczne. Zjawisko to znane jest jako ferromagnetyzm. W ten sposób powstają magnesy trwałe.

Jądro