Nguyên tử

Chất dẫn điện và chất cách điện

Cách các nguyên tử liên kết với nhau ảnh hưởng đến tính chất điện của vật liệu mà chúng tạo thành. Ví dụ, trong các vật liệu liên kết với nhau bằng liên kết kim loại, các electron lơ lửng giữa các ion kim loại. Những electron này sẽ tự do di chuyển nếu một lực điện được áp dụng. Ví dụ, nếu một dây đồng được gắn trên các cực của pin, các electron sẽ chảy bên trong dây. Do đó, một dòng điện chạy và đồng được gọi là một dây dẫn.

Tuy nhiên, dòng điện tử bên trong một dây dẫn không hoàn toàn đơn giản như vậy. Một electron tự do sẽ được gia tốc trong một thời gian nhưng sau đó sẽ va chạm với một ion. Trong quá trình va chạm, một phần năng lượng mà electron thu được sẽ được chuyển sang ion. Do đó, ion sẽ di chuyển nhanh hơn và một người quan sát sẽ nhận thấy nhiệt độ của dây tăng lên. Sự chuyển đổi năng lượng điện này từ chuyển động của các điện tử thành năng lượng nhiệt được gọi là điện trở. Trong một vật liệu có điện trở cao, dây nóng lên nhanh chóng khi dòng điện chạy qua. Trong một vật liệu có điện trở thấp, chẳng hạn như dây đồng, phần lớn năng lượng vẫn thuộc về các electron chuyển động, vì vậy vật liệu này rất tốt trong việc di chuyển năng lượng điện từ điểm này sang điểm khác. Đặc tính dẫn điện tuyệt vời của nó, cùng với chi phí tương đối thấp, là lý do tại sao đồng thường được sử dụng trong hệ thống dây điện.

Tình huống hoàn toàn ngược lại thu được trong các vật liệu, chẳng hạn như nhựa và gốm, trong đó các electron đều bị khóa vào liên kết ion hoặc cộng hóa trị. Khi các loại vật liệu này được đặt giữa các cực của pin, không có dòng điện nào hiện tại, đơn giản là không có electron tự do di chuyển. Vật liệu như vậy được gọi là chất cách điện.

Tính hấp dẫn

Tính chất từ của vật liệu cũng liên quan đến hành trạng của các electron trong nguyên tử. Một electron trong quỹ đạo có thể được coi là một vòng thu nhỏ của dòng điện. Theo định luật điện từ, một vòng lặp như vậy sẽ tạo ra từ trường. Mỗi electron trong quỹ đạo xung quanh hạt nhân tạo ra từ trường riêng của nó và tổng của các trường này, cùng với các trường nội tại của electron và hạt nhân, xác định từ trường của nguyên tử. Trừ khi tất cả các trường này hủy bỏ, nguyên tử có thể được coi là một nam châm nhỏ.

Trong hầu hết các vật liệu, các nam châm nguyên tử này chỉ theo các hướng ngẫu nhiên, do đó bản thân vật liệu không có từ tính. Trong một số trường hợp, ví dụ, khi các nam châm nguyên tử định hướng ngẫu nhiên được đặt trong một từ trường bên ngoài mạnh mẽ, họ xếp hàng, củng cố trường bên ngoài trong quá trình. Hiện tượng này được gọi là chủ nghĩa paramagnetism. Trong một vài kim loại, chẳng hạn như sắt, các lực tương tác là các nam châm nguyên tử xếp thành hàng trên một vài ngàn nguyên tử. Các khu vực này được gọi là tên miền. Trong sắt bình thường, các miền được định hướng ngẫu nhiên, do đó vật liệu không có từ tính. Tuy nhiên, nếu sắt được đặt trong một từ trường mạnh, các miền sẽ xếp thành hàng và chúng sẽ được xếp hàng ngay cả sau khi loại bỏ trường bên ngoài. Kết quả là, mảnh sắt sẽ thu được từ trường mạnh. Hiện tượng này được gọi là ferromagnetism. Nam châm vĩnh cửu được thực hiện theo cách này.