кристалл , любой твердый материал, в котором атомы компонентов расположены в определенном порядке и регулярность поверхности которого отражает его внутреннюю симметрию.

Классификация

Определение твердого тела кажется очевидным; твердое тело обычно считается твердым и твердым. Однако после проверки определение становится менее простым. Кусочек сливочного масла, например, после хранения в холодильнике становится твердым и явно твердым. Пролежав сутки на кухонном столе, тот же кубик становится довольно мягким, и неясно, следует ли по-прежнему считать масло твердым. Многие кристаллы ведут себя как масло в том смысле, что они тверды при низких температурах, но мягки при более высоких температурах. Они называются твердыми при всех температурах ниже их точки плавления. Возможное определение твердого тела — это объект, который сохраняет свою форму, если его не трогать. Актуальным вопросом является то, как долго объект сохраняет свою форму. Высоковязкая жидкость сохраняет свою форму в течение часа, но не года. Твердое тело должно дольше сохранять свою форму.

Основные единицы измерения твердых тел

Основными единицами твердых тел являются либо атомы, либо атомы, объединившиеся в молекулы. Электроны атома движутся по орбитам, образующим оболочечную структуру вокруг ядра. Оболочки заполняются в систематическом порядке, причем каждая оболочка содержит лишь небольшое количество электронов. Разные атомы имеют разное количество электронов, которые распределены в характерной электронной структуре заполненных и частично заполненных оболочек. Расположение электронов атома определяет его химические свойства. Свойства твердых тел обычно можно предсказать, исходя из свойств составляющих их атомов и молекул, и поэтому различные оболочечные структуры атомов ответственны за разнообразие твердых тел.

Все занятые оболочки атома аргона (Ar), например, заполнены, что приводит к сферической форме атома. В твердом аргоне атомы расположены в соответствии с плотнейшей упаковкой этих сфер. Атом железа (Fe), напротив, имеет одну электронную оболочку, которая заполнена лишь частично, что придает атому чистый магнитный момент. Таким образом, кристаллическое железо является магнитом. Ковалентная связь между двумя атомами углерода (C) является самой прочной связью в природе. Эта сильная связь делает алмаз самым твердым телом.

Твердое тело называется кристаллическим, если оно имеет дальний порядок. Как только положение атома и его соседей известно в одной точке, место каждого атома точно известно во всем кристалле. У большинства жидкостей отсутствует дальний порядок, хотя у многих есть ближний порядок. Ближний радиус определяется как первые или вторые ближайшие соседи атома. Во многих жидкостях первые соседние атомы расположены так же, как и в соответствующей твердой фазе. Однако на расстояниях, которые составляют много атомов, положения атомов становятся некоррелированными. Эти жидкости, такие как вода, имеют ближний порядок, но не имеют дальнего порядка. Некоторые жидкости могут иметь ближний порядок в одном направлении и дальний порядок в другом; эти специальные вещества называются жидкими кристаллами. Твердые кристаллы имеют как ближний, так и дальний порядок.

Твердые тела, имеющие ближний порядок, но не имеющие дальнего порядка, называются аморфными. Почти любой материал можно сделать аморфным путем быстрого затвердевания из расплава (расплавленное состояние). Это условие нестабильно, и твердое тело со временем кристаллизуется. Если время кристаллизации исчисляется годами, то аморфное состояние оказывается стабильным. Стекла являются примером аморфных твердых тел. В кристаллическом кремнии (Si) каждый атом тетраэдрически связан с четырьмя соседями. В аморфном кремнии (a-Si) существует тот же ближний порядок, но направления связей меняются на более удаленных от любого атома расстояниях. Аморфный кремний — это разновидность стекла. Квазикристаллы — еще один тип твердых тел, в которых отсутствует дальний порядок.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Большинство твердых материалов, встречающихся в природе, существуют в поликристаллической форме, а не в виде монокристалла. На самом деле они состоят из миллионов зерен (маленьких кристаллов), упакованных вместе, чтобы заполнить все пространство. Каждое отдельное зерно имеет другую ориентацию, чем его соседи. Хотя дальний порядок существует в пределах одного зерна, на границе между зернами упорядочение меняет направление. Типичный кусок железа или меди (Cu) является поликристаллическим. Монокристаллы металлов мягки и пластичны, а поликристаллы тверже и прочнее и более применимы в промышленности. Большинство поликристаллических материалов можно превратить в крупные монокристаллы после длительной термообработки. В прошлом кузнецы нагревали кусок металла, чтобы сделать его ковким: тепло заставляет несколько зерен увеличиваться за счет включения более мелких. Кузнецы сгибали размягченный металл, придавая ему форму, а затем некоторое время растирали его; удары снова сделают его поликристаллическим, увеличив его прочность.

Категории кристаллов

Кристаллы классифицируются по общим категориям, таким как изоляторы, металлы, полупроводники и твердые молекулярные вещества. Монокристалл изолятора обычно прозрачен и напоминает кусок стекла. Металлы блестят, если они не заржавели. Полупроводники иногда блестят, иногда прозрачны, но никогда не ржавеют. Многие кристаллы можно отнести к одному типу твердых тел, в то время как другие имеют промежуточное поведение. Сульфид кадмия (CdS) может быть получен в чистом виде и является отличным изолятором; когда к сульфиду кадмия добавляются примеси, он становится интересным полупроводником. Висмут (Bi) кажется металлом, но количество электронов, доступных для электропроводности, такое же, как и у полупроводников. На самом деле висмут называют полуметаллом. Молекулярные твердые тела обычно представляют собой кристаллы, образованные из молекул или полимеров. Они могут быть изолирующими, полупроводниковыми или металлическими, в зависимости от типа молекул в кристалле. Постоянно синтезируются новые молекулы, и многие из них превращаются в кристаллы. Количество различных кристаллов огромно.

Свойства металлов: проводимость

В предыдущих частях нашей серии статей о свойствах металлов мы обсуждали характеристики, которые отличают металлы друг от друга, а также те, которые отличают их от других неметаллических элементов. Электропроводность представляет собой набор основных характеристик, которые лежат в основе того, что определяет металл. В этой статье мы спросим: какие факторы влияют на проводимость металлов? Какие металлы являются наиболее тепло- и электропроводными, и почему проводимость важна для производителей?

Все материалы обладают некоторой степенью проводимости. Одной из основных характеристик металлов является их способность проводить тепло и электричество, поэтому все металлы обладают относительной проводимостью по сравнению с неметаллами. Однако даже в металлах вы найдете широкий диапазон уровней проводимости. Хорошее знание того, где в спектре находятся различные металлы, помогает производителям выбирать правильный сплав для каждого продукта.

Итак, что такое определение проводимости?

Физика определяет пять различных типов проводимости: ионную, гидравлическую, акустическую, тепловую и электрическую. Большинство производителей в первую очередь заботятся о последних двух: электропроводности и теплопроводности.

Электропроводность — это мера того, насколько эффективно материал переносит единицу электрического потенциала (также известную как заряд). Вы можете думать об этом как о том, насколько легко материал позволяет электрическому заряду проходить через него, не замедляя его. Пока этот заряд проходит через материал, мы можем наблюдать отдельные аспекты этого электрического действия и измерять их независимо. Это позволяет нам получить более полное представление о проводимости заготовки.

• Разница потенциальной энергии между двумя конкретными точками измеряется в вольтах (В)
• Фактическое количество энергии, переносимой за данный интервал времени, измеряется в кулонах (Кл)
• И насколько эффективно конкретный кусок материала (с массой, длиной и шириной) проводит электрический ток, измеряется в сименсах (S)

Теплопроводность , с другой стороны, является мерой скорости, с которой тепло передается через материал. Теплопроводность регулируется правилами второго закона термодинамики, а именно, что тепло будет течь от горячей точки к холодной до тех пор, пока разница температур между ними не сравняется. Теплопроводность измеряется в Вт (Вт).

Существует много общего между теплопроводностью и электропроводностью, потому что атомарные строительные блоки, которые делают металлы такими особенными, являются теми же блоками, которые закладывают основу для их потрясающей проводимости.

Электропроводность и удельное сопротивление

Удельное сопротивление является обратной величиной проводимости, то есть это две стороны одной медали. Если ваш материал не проводит, он сопротивляется. Если не сопротивляется, то проводит. Независимо от того, измеряете ли вы удельное сопротивление или проводимость, это вопрос приложения. Если вы строите изоляторы, вы измеряете удельное сопротивление. Если вы прессуете медную проволоку, вам нужно знать ее проводимость.

Понимание электропроводности на молекулярном уровне

Даже если вы давно не посещали уроки химии, вы, вероятно, помните два наиболее распространенных типа химических связей: ионную и ковалентную. На самом деле существует более двух типов химических связей, и металлы имеют свой собственный способ сборки атомов. Определяющим свойством металлов является то, что некоторые из их электронов очень слабо связаны с ядром. Они известны как валентных электронов и занимают самую внешнюю орбиту атома.

Справа: схема молекулы алюминия с валентными электронами, выделенными красным цветом.

Когда атомы металла начинают сближаться, эти валентные электроны настолько слабо связаны со своим «домашним» атомом, что начинают свободно плавать и перемещаться по всему металлу. Они становятся так называемыми «делокализованными» электронами. И их так много, так много, что становится невозможно узнать, какие электроны принадлежат каким атомам. Результат примерно такой, как на рисунке ниже — обратите внимание, как электроны отделяются от своего родного ядра, плавая в том, что ученые называют «электронным морем»:

Что позволяет валентным электронам в металлах так легко отрываться? Когда валентные электроны возбуждаются, они могут перепрыгнуть с орбиты своего атома в зону свободного полета общей структуры металла. На научном жаргоне мы говорим, что валентный электрон «превращается» в электрон проводимости. Это происходит очень легко в металлических элементах просто потому, что энергия, необходимая для продвижения атома, очень мала по сравнению с неметаллическими элементами. Термин для этого типа энергии называется энергией ионизации.

Теперь, когда электроны оторвались от своего родного атома, комбинация отрицательно заряженных делокализованных электронов и теперь положительно заряженных ядер создает электростатическую силу . И именно эта сила удерживает атомы вместе. Фактически электростатическая сила делает возможным металлическое соединение.

Итак, что происходит, когда мы посылаем заряд через металл? Делокализованные электроны становятся кинетическими и несут заряд с поразительной скоростью. А поскольку они могут путешествовать куда угодно, а их число исчисляется миллиардами или даже триллионами, недостатка в доступных электронах для передачи электрического сообщения нет.

Понимание теплопроводности на молекулярном уровне

Теплопроводность и электропроводность тесно связаны, но действуют по-разному. Чтобы помочь вам визуализировать эту разницу, представьте, что вы стоите, держа руку на одном конце 20-футового медного провода диаметром около дюйма. Ваш друг на другом конце посылает через него электрический ток (будем надеяться, что он небольшой). Поток достигает вас почти мгновенно. Во втором раунде этого эксперимента ваш друг нагревает проволоку. Даже если тепло значительное, у вас, вероятно, есть несколько секунд, прежде чем ваша сторона металла нагреется выше допустимого уровня. Несмотря на разницу в скорости, за обоими типами проводимости стоят делокализованные электроны.

Помните, что при электропроводности атомы движутся вверх и вниз по металлу с поразительной скоростью. Однако когда металл нагревается, валентные электроны не двигаются; они трясутся и вибрируют. И как только они начинают вибрировать с достаточной интенсивностью, они начинают сталкиваться с другими электронами вокруг себя, передавая часть своей тепловой энергии своим соседям. Это приводит к более медленной передаче энергии по сравнению с электрической проводимостью.

Вам может быть интересно: теплопроводность и электропроводность в металлах дополняют друг друга или могут противоречить друг другу? Может ли металл иметь высокую электропроводность и низкую теплопроводность? Вы задаете правильные вопросы, но не всегда есть простые ответы. Среди металлов теплопроводность и электропроводность очень сильно коррелированы (см. таблицу ниже). Но в любом данном металле, если вы увеличите температуру и молекулы начнут достаточно вибрировать, их шаткое поведение ухудшит электропроводность. Почему? Потому что все вибрации создают множество случайных столкновений частиц, что ослабляет поступательный поток (ток) электронов.

Какие металлы обладают наибольшей электропроводностью и каковы их применения?

Металлы являются отличными проводниками из-за их атомной структуры, как мы только что исследовали. Металлы также широко доступны, что делает их экономичным сырьем для производства коммерчески полезных проводников. Когда дело доходит до коммерческого и промышленного применения, ключевой момент заключается в том, чтобы найти правильный материал по правильной цене, не ставя под угрозу производительность.

Хорошим примером применения теплопроводности является радиатор. Радиаторы — это маленькие вентиляторы внутри вашего компьютера, которые отводят тепло от электрических компонентов для их охлаждения, и они часто изготавливаются из алюминия. Несмотря на то, что теплопроводность алюминия намного ниже, чем у меди, его теплопроводность достаточна для этого применения, а рафинированный алюминий значительно дешевле, чем рафинированная медь.

Медь обладает электропроводностью. Морское дно проложено медными проводами для передачи данных с одного континента на другой. В вашем доме есть медная проводка, без которой у вас не было бы электричества. Но алюминий также широко используется для электрификации. Одним из примеров являются линии электропередач дальнего следования: поскольку алюминий легче, он предотвращает разрушение установок под собственным весом, как это было бы с медью.

Откуда мы знаем, какие металлы обладают наибольшей проводимостью? Это возвращает к концепции энергии ионизации, которую мы обсуждали выше: металлы, возглавляющие таблицы электропроводности, требуют наименьшего количества энергии ионизации. В иерархии большинства проводящих металлов серебро возглавляет заряд (каламбур). Но поскольку серебро экспоненциально дороже, чем медь и алюминий, оно используется только в очень специфических случаях, когда требуется экстремальная проводимость.

Наконец, вы можете спросить: является ли проводимость свойством только металлов? Нет, проводимость не ограничивается металлами или даже твердыми телами. Мы также можем измерять проводимость (или удельное сопротивление) жидкостей, газов и плазмы. Фактически, самые лучшие электрические проводники называются сверхпроводниками, и они обычно состоят из различных неметаллических элементов. И самым большим теплопроводником является алмаз. Интересно, однако, что алмазы имеют почти нулевую электропроводность! (рассказ на другой день). 98 Ом/м)

Теплопроводность

Как проводимость помогает производителям выбрать правильный сплав

Знание физических законов проводимости помогает специалистам-производителям выбирать правильный материал для конечной продукции. Некоторые вопросы, которые следует иметь в виду:

• Сколько электроэнергии будет проходить через деталь?
• Является ли терморегулирование важным компонентом детали?
• Требуется ли быстрое охлаждение или нагрев детали?
• Будет ли деталь сварена?

Например, деталь можно использовать во влажной среде, где желательными свойствами являются коррозионная стойкость и низкая теплопроводность. Вам может потребоваться сильная проводимость, потому что ваша часть задействована в электрических установках. Если вы работаете в среде, где тепловая энергия часто колеблется, вам может понадобиться металл с высоким термическим сопротивлением. Детали, используемые для передачи тепла, такие как индукционные печи, имеют одни компоненты с высокой теплопроводностью, а другие — с низкой теплопроводностью.