Ηλεκτρικές και Μαγνητικές Ιδιότητες

Ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες των στερεών

Εισαγωγή

Τα μαγνητικά δίπολα στα στερεά είναι υπεύθυνα για τις μαγνητικές ιδιότητες των στερεών στη χημεία, που συνήθως αναφέρονται ως μαγνητισμός. Στα μαγνητικά υλικά, η μαγνητική διπολική ροπή δημιουργείται από τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται στον άξονά τους και την τροχιακή κίνηση γύρω από τον πυρήνα του ατόμου.

Τα στερεά έχουν μαγνητικές ιδιότητες λόγω των μαγνητικών πεδίων που δημιουργούνται από τις μαγνητικές ροπές ηλεκτρονίων και τα ηλεκτρικά ρεύματα. Ένα από τα πολυάριθμα χαρακτηριστικά του ηλεκτρομαγνητισμού είναι το μαγνητικό χαρακτηριστικό των στερεών, που είναι ένα από αυτά. Το μικρό φορτίο ενός ηλεκτρονίου δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο κατά μήκος του άξονά του. Η μαγνητική ροπή δημιουργείται από τη γωνιακή ορμή της περιστροφικής κίνησης του ηλεκτρονίου.

Διαφορετικοί τύποι υλικού

Μαγνητικά υλικά

Τα μαγνητικά υλικά είναι αυτά που έλκονται από έναν μαγνήτη. Οι μαγνητικές ιδιότητες του σιδήρου, του νικελίου και του κοβαλτίου αποδεικνύονται επειδή ένας μαγνήτης έλκει αντικείμενα κατασκευασμένα από αυτά τα υλικά. Τα μαγνητικά υλικά μπορούν επίσης να μαγνητιστούν ή μπορούμε να πούμε ότι μπορούν να μετατραπούν σε μαγνήτες.

Μη μαγνητικά υλικά

Τα μη μαγνητικά υλικά είναι υλικά που δεν έλκονται από έναν μαγνήτη. Εκτός από τον σίδηρο, το νικέλιο και το κοβάλτιο, όλες οι άλλες ουσίες είναι μη μαγνητικές. Τα μη μαγνητικά υλικά περιλαμβάνουν πράγματα όπως πλαστικό, καουτσούκ και νερό. Ο μαγνητισμός δεν είναι δυνατός με μη μαγνητικά υλικά.

Ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες των στερεών

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι μαγνητικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των στερεών είναι δύο διαφορετικές όψεις ενός μεμονωμένου φαινομένου, γνωστού ως ηλεκτρομαγνητισμός. Τα στερεά έχουν όλα διαφορετική ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η αγωγιμότητα είναι η ιδιότητα ενός αντικειμένου να άγει ηλεκτρισμό. Άλλες τέτοιες ηλεκτρικές ιδιότητες των στερεών περιλαμβάνουν την ειδική αντίσταση, την χωρητικότητα και την αντίσταση. Τα μέταλλα και τα κράματα είναι εξαιρετικοί ηλεκτρικοί αγωγοί, ενώ τα κεραμικά και τα γυαλιά είναι καλοί μονωτές. Οι ημιαγωγοί έχουν και ηλεκτρόνια και οπές μέσα τους για να συμβάλλουν στο ρεύμα. Υλικά όπως το αλουμίνιο, ο κασσίτερος, τα κράματα μετάλλων και οι ημιαγωγοί με μεγάλη πρόσμιξη παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Μαγνητική ιδιότητα των στερεών

Οι μαγνητικές ιδιότητες καθορίζονται από τα άτομα ή τα ιόντα που συνθέτουν την ατομική ή ιοντική σύνθεση αυτού του στερεού. Ο μαγνητισμός και η μαγνήτιση ενός στερεού επηρεάζονται από την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα σε ένα άτομο. Μπορεί λοιπόν να ειπωθεί ότι κάθε ηλεκτρόνιο ενός ατόμου συμπεριφέρεται σαν μαγνήτης, δίνοντας σε ολόκληρο το στερεό τη μαγνητική του ιδιότητα.

Ουσίες που είναι διαμαγνητικές: 

Τα στερεά που απωθούνται ήπια από τους μαγνήτες ανήκουν σε αυτήν την ομάδα. Όλα τα ηλεκτρόνια στα διαμαγνητικά υλικά είναι συζευγμένα. Ως αποτέλεσμα, η μαγνητική διπολική ροπή ακυρώνεται. Παραδείγματα είναι τα H2O, TiO2, NaCl, V2O5 και άλλες διαμαγνητικές ενώσεις. Αυτά τα υλικά παρουσιάζουν μια μικροσκοπική μαγνητική διπολική ροπή που είναι πολωμένη προς την αντίθετη κατεύθυνση από το μαγνητικό πεδίο.

Ουσίες με σιδηρομαγνητικές ιδιότητες:

Το μαγνητικό πεδίο έλκει αυτά τα υλικά επιθετικά, τα οποία μπορούν επίσης να μαγνητιστούν επ' αόριστον. Τα ιόντα από σιδηρομαγνητικό υλικό σχηματίζουν μικρές συστάδες που λειτουργούν ως μικροί μαγνήτες. Ένας τομέας είναι ένα όνομα που δίνεται σε αυτή τη μικροσκοπική μαγνητική ζώνη. Οι περιοχές προσανατολίζονται στα ίδια κατευθυντικά πεδία όταν εφαρμόζεται μαγνητικό πεδίο. Οι τομείς παραμένουν ευθυγραμμισμένοι ώστε να είναι προσανατολισμένοι στους μόνιμους μαγνήτες ακόμα και όταν αφαιρεθεί το μαγνητικό πεδίο. Αυτά τα υλικά έχουν χαμηλή μαγνητική ροπή. Οι μαγνητικές ροπές των περιοχών των ουσιών ευθυγραμμίζονται σε άνισες ποσότητες σε παράλληλους και αντιπαράλληλους προσανατολισμούς. Ο μαγνητίτης και οι φερρίτες είναι δύο παραδείγματα.

Ουσίες με παραμαγνητικές ιδιότητες:

Οι παραμαγνητικές ουσίες είναι στερεά που έλκονται ελαφρά μόνο από ένα μαγνητικό πεδίο. Ελκύονται από τον μαγνήτη προς την ίδια κατεύθυνση. Αυτοί δεν είναι μαγνήτες μεγάλης διάρκειας. Ένα ή περισσότερα ασύζευκτα ηλεκτρόνια έλκονται από το μαγνητικό πεδίο, με αποτέλεσμα τον παραμαγνητισμό. Ως αποτέλεσμα, είναι απλώς παροδικοί μαγνήτες—O2, Cu2+, VO, VO2, CuO, TiO και άλλες παραμαγνητικές ενώσεις.

Ουσίες που είναι αντισιδηρομαγνητικές: 

Αυτά τα υλικά έχουν καθαρή μαγνητική ροπή μηδέν. Ωστόσο, έχουν παρόμοια πεδία με αυτά των σιδηρομαγνητικών υλικών. Δεδομένου ότι αυτοί οι τομείς είναι προσανατολισμένοι σε αντίθετες κατευθύνσεις, αλληλοεξουδετερώνονται, με αποτέλεσμα μηδενικές/μηδενικές μαγνητικές ροπές. Οι αντισιδηρομαγνητικές ενώσεις περιλαμβάνουν MnO και V2O.

Ηλεκτρικές ιδιότητες των στερεών

Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού αναφέρονται ως αγωγιμότητα. Η ικανότητα μιας ουσίας να μεταφέρει θερμότητα ή ηλεκτρική ενέργεια ορίζεται ως η ηλεκτρική της αγωγιμότητα. Ως αποτέλεσμα, ένας καλός αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί εύκολα να μεταφέρει ενέργεια χωρίς να βράζει, να διαλύεται ή να αλλάζει με άλλο τρόπο τη σύνθεσή του.

Τα στερεά έχουν διαφορετικούς βαθμούς αγωγιμότητας. Οι ηλεκτρικές τους ιδιότητες δεν είναι ομοιόμορφες.

Τα στερεά επί του παρόντος κατηγοριοποιούνται σε τρεις τύπους ανάλογα με την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα. Αυτές οι τρεις κατηγορίες είναι οι εξής:

Μαθητές:

Τα στερεά με υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι γνωστά ως αγωγοί. Επιτρέπουν τη θερμότητα και τα ηλεκτρικά ρεύματα να περάσουν από μέσα τους εύκολα και γρήγορα. Μέσω της διέλευσης ελεύθερων ηλεκτρονίων από άτομο σε άτομο, οι αγωγοί επιτρέπουν αυτή τη μεταφορά ενέργειας. Μπορούν να φέρουν αυτή την ενέργεια παντού, ενώ το ρεύμα εφαρμόζεται μόνο σε ένα μέρος του σώματός τους. Οι αγωγοί είναι στερεά με αγωγιμότητα στην περιοχή από 104 έως 108 ohm-1 m-1. Τα μέταλλα είναι εξαιρετικοί ηλεκτρικοί αγωγοί. Το ασήμι έχει αγωγιμότητα περίπου 107 ohm-1 m-1, καθιστώντας το εξαιρετικό αγωγό.

Μονωτές: 

Σε αντίθεση με τους αγωγούς, οι μονωτές είναι ουσίες που δεν μεταδίδουν ηλεκτρική ενέργεια ή ρεύματα. Δεν επιτρέπουν σε κανένα (ή πολύ λίγο) ηλεκτρικό φορτίο να περάσει από μέσα τους. Έχουν ένα μεγάλο διάκενο, το οποίο εμποδίζει τη ροή του ηλεκτρισμού μέσα από αυτά. Το ξύλο, το καουτσούκ, το πλαστικό, το γυαλί και άλλα υλικά είναι μόνο μερικά παραδείγματα. Οι μονωτές είναι στερεά με αγωγιμότητα που κυμαίνονται από 10-20 έως 10-10 ohm-1 m-1.

Ημιαγωγοί:

Οι ημιαγωγοί είναι τα υλικά που υπάρχουν μεταξύ αγωγών και μονωτών. Αυτά είναι στερεά που μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό αλλά μόνο υπό ορισμένες συνθήκες. Δύο τέτοιες καταστάσεις περιορίζουν την ικανότητα των ημιαγωγών να μεταφέρουν ενέργεια, θερμότητα και ακαθαρσίες. Οι ημιαγωγοί είναι στερεά με ένα ενδιάμεσο εύρος αγωγιμότητας, που κυμαίνεται από 10-6 έως 104 ohm-1 m-1.

 Συμπέρασμα

Οι ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες ήταν πάντα μια ουσιαστική συζήτηση στη χημεία. Έτσι, εδώ προσπαθήσαμε να καλύψουμε περίπλοκες λεπτομέρειες σχετικά με το θέμα σε όλο το άρθρο. Συμπεριλάβαμε έναν αναλυτικό ορισμό, τις μαγνητικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των στερεών και τους τύπους μαγνητικών και ηλεκτρικών υλικών.