Podział ciał stałych na właściwości magnetyczne

Ciała stałe, to ciała, w których odległości między cząsteczkami są bardzo małe. Z mikroskopowego punktu widzenia, atomy i cząsteczki w ciele stałym zachowują swoje położenie względem innych atomów, wykonując tylko pewne drgania wokół swoich średnich położeń.

Ze względu na własności magnetyczne ciała stałe dzielimy na:

• diamagnetyki – atomy diamagnetyków mają parzystą liczbę elektronów na powłoce walencyjnej. Elektrony te wytwarzają pola magnetyczne, ale pola te wzajemnie się znoszą, dlatego atomy diamagnetyka nie wykazują namagnesowania, a tym samym cały diamagnetyk nie wytwarza pola magnetycznego. Do diamagnetyków należy np. cynk, rtęć i wapń.

• paramagnetyki – atomy paramagnetyków maja nieparzystą liczbę elektronów na powłoce walencyjnej. Atomy paramagnetyka wytwarzają własne pola magnetyczne, ale pola te wzajemnie się znoszą, dlatego paramagnetyki nie wykazują namagnesowania. Paramagnetyk umieszczony zewnętrznym polu magnetycznym wzmacnia to pole. Do paramagnetyków należy np. aluminium, cyna i magnez.

• ferromagnetyki – to ciała zdolne do wytwarzania własnego pola magnetycznego. Charakteryzują się tym, że występują w nich obszary stałego namagnesowania tzw. domeny ferromagnetyczne. Pola magnetyczne domen są różnie skierowane i kompensują się wzajemnie, dlatego umieszczenie ferromagnetyka w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje, że pola magnetyczne domen ustawiają się zgodnie z zewnętrznym polem i staje się on silnym magnesem. Niektóre ferromagnetyki magnesują się trwale (z nich wykonuje się magnesy trwałe), a niektóre wykazują silne własności magnetyczne tylko wtedy, gdy znajdują się w zewnętrznym polu magnetycznym (wykonuje się z nich rdzenie elektromagnesów i transformatorów). Do ferromagnetyków należy żelazo, kobalt i nikiel.

Właściwości magnetyczne ciał stałych są zależne przede wszystkim od :

konfiguracji zewnętrznych i wewnętrznych powłok elektronowych atomów budujących ciała stałe (oddziaływania magnetyczne na poziomie atomowym). Ten magnetyzm atomowy uwarunkowany jest istnieniem własnego (spinowego) momentu magnetycznego elektronów oraz momentu magnetycznego powstałego wskutek ruchu orbitalnego elektronów w powłokach elektronowych atomu. Moment magnetyczny atomu jest zatem sumą wszystkich momentów magnetycznych wytworzonych przez jego elektrony. Ponieważ atomy zachowują się jak elementarne magnesy, jeśli więc ich momenty magnetyczne w polu magnetycznym różnią się od zera, dążą one do przybrania pozycji zgodnej z kierunkiem tego pola. Wtedy ciała stałe przyjmują własności paramagnetyczne. W sytuacji, gdy moment magnetyczny wynosi zero, to pole magnetyczne zaczyna indukować momenty skierowane w przeciwnym kierunku- ciało stałe jest diamagnetykiem. Spośród ciał stałych, których atomy mają właściwości paramagnetyczne, możemy wyróżnić nieliczną grupę kryształów o właściwościach antyferromagnetycznych lub ferromagnetycznych. Inaczej jak w przypadku diamagnetyzmu i paramagnetyzmu, właściwości te stanowią cechę własną kryształów, a wiążą się ze sposobem uporządkowania cząsteczek w sieci. Polega to głównie na tym, że momenty magnetyczne poszczególnych atomów ulokowane są równolegle (zgodnie) lub naprzemiennie przeciwrównolegle (antyferromagnetyki). Taki stan uporządkowania w sposób jednakowy dotyczy części kryształu (nie jego całości). Te fragmenty to domeny magnetyczne.

Podział ciał stałych na własciwości elektryczne

-Przewodniki (metale)-substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Atomy przewodnika tworzą wiązania, w których elektrony walencyjne (jeden, lub więcej) pozostają swobodne (nie związane z żadnym z atomów), tworząc w ten sposób tzw. gaz elektronowy.Przewodniki znajdują szerokie zastosowanie do wykonywania elementów urządzeń elektrycznych.

Do najpopularniejszych przewodników należą (uporządkowane wg wzrostu przewodności właściwej):

woda – chociaż formalnie nie spełnia podanej definicji przewodnika, to jednak, w zależności od zawartości elektrolitów (która jest najmniejsza w wodzie dejonizowanej, większa w pitnej a jeszcze większa w wodzie morskiej) oraz przyłożonego napięcia, może zachowywać się jak izolator, bądź też słaby, a nawet dobry przewodnik. W związku z tym należy unikać kontaktu urządzeń pod napięciem z wodą, gdyż grozi to porażeniem.

grafit – miękki, średnio dobry jako przewodnik, stosowany wszędzie tam, gdzie trzeba doprowadzić napięcie do części wirujących (szczotki)

żelazo – tańsze od aluminium, ale posiada gorsze własności elektryczne, kruche i nieodporne na korozję, obecnie nie stosowane

stal – własności podobne do żelaza, stosowana w elementach przewodzących aparatów elektrycznych, wymagające równocześnie większej wytrzymałości mechanicznej

aluminium – kruche, dobre jako przewodnik, ma korzystny stosunek przewodnictwa do ceny materiału oraz masy przewodu, powszechnie stosowane na przewody w napowietrznych liniach elektroenergetycznych

złoto – własności elektryczne dobre, duża odporność na korozję, ale cena warunkuje stosowanie jedynie do układów mikroprocesorowych oraz na powierzchni styków

miedź – droższa od aluminium, ale bardzo dobra jako przewodnik, odporna na przełamanie, łatwa w lutowaniu, odporna cieplnie; stosowana w instalacjach elektrycznych oraz w urządzeniach elektrycznych i stykach

srebro – najmniejszy opór elektryczny, droższe od miedzi i aluminium, technicznie czyste lub w postaci stopów stosowane powszechnie w stykach elektrycznych w łącznikach

-półprzewodniki- najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (przewodnictwo właściwe) może być zmieniana w szerokim zakresie (np. 10-8 do 103 S/cm) poprzez domieszkowanie, ogrzewanie, oświetlenie badź inne czynniki. Przewodnictwo typowego półprzewodnika plasuje się między przewodnictwem metali i dielektryków.

Wartość rezystancji półprzewodnika maleje na ogół ze wzrostem temperatury. Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie 0 - 6 eV (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV , GaAs 1,4 eV, GaN 3,4 eV, AlN 6,2 eV). Koncentracje nośników ładunku w półprzewodnikach można zmieniać w bardzo szerokich granicach, zmieniając temperaturę półprzewodnika lub natężenie padającego na niego światła lub nawet przez ściskanie czy rozciąganie.

W przemyśle elektronicznym najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy IV (np. krzem, german) oraz związki pierwiastków grup III i V (np. arsenek galu, azotek galu, antymonek indu) lub II i VI (tellurek kadmu). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, polikryształu lub proszku. Obecnie otrzymywane są również półprzewodniki organiczne, na ogół wielocykliczne związki aromatyczne np. poli(p-fenyleno-winylen).

-izolatory-materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości, lub obu tych czynników równocześnie.