La materia atomica

Conduttori e isolanti

Il modo in cui gli atomi si legano insieme influenza le proprietà elettriche dei materiali che formano. Ad esempio, nei materiali tenuti insieme dal legame metallico, gli elettroni galleggiano liberamente tra gli ioni metallici. Questi elettroni saranno liberi di muoversi se viene applicata una forza elettrica. Ad esempio, se un filo di rame è attaccato ai poli di una batteria, gli elettroni scorreranno all'interno del filo. Pertanto, scorre una corrente elettrica e si dice che il rame sia un conduttore.

Tuttavia, il flusso di elettroni all'interno di un conduttore non è così semplice. Un elettrone libero verrà accelerato per un po 'ma poi si scontrerà con uno ione. Nel processo di collisione, parte dell'energia acquisita dall'elettrone verrà trasferita allo ione. Di conseguenza, lo ione si muoverà più velocemente e un osservatore noterà l'innalzamento della temperatura del filo. Questa conversione di energia elettrica dal movimento degli elettroni in energia termica si chiama resistenza elettrica. In un materiale ad alta resistenza, il filo si riscalda rapidamente mentre scorre la corrente elettrica. In un materiale a bassa resistenza, come il filo di rame, la maggior parte dell'energia rimane con gli elettroni in movimento, quindi il materiale è bravo a spostare l'energia elettrica da un punto all'altro. La sua eccellente proprietà conduttiva, insieme al suo costo relativamente basso, è il motivo per cui il rame è comunemente usato nei cablaggi elettrici.

L'esatta situazione opposta si ottiene nei materiali, come plastica e ceramica, in cui gli elettroni sono tutti bloccati in legami ionici o covalenti. Quando questi tipi di materiali sono posizionati tra i poli di una batteria, non scorre corrente, semplicemente non ci sono elettroni liberi di muoversi. Tali materiali sono chiamati isolanti.

Proprietà magnetiche

Le proprietà magnetiche dei materiali sono anche correlate al comportamento degli elettroni negli atomi. Un elettrone in orbita può essere pensato come un circuito in miniatura di corrente elettrica. Secondo le leggi dell'elettromagnetismo, un tale anello creerà un campo magnetico. Ogni elettrone in orbita attorno a un nucleo produce il proprio campo magnetico e la somma di questi campi, insieme ai campi intrinseci degli elettroni e del nucleo, determina il campo magnetico dell'atomo. A meno che tutti questi campi non si annullino, l'atomo può essere pensato come un piccolo magnete.

Nella maggior parte dei materiali questi magneti atomici puntano in direzioni casuali, quindi il materiale stesso non è magnetico. In alcuni casi - ad esempio, quando i magneti atomici orientati in modo casuale vengono posizionati in un forte campo magnetico esterno - si allineano, rafforzando il campo esterno nel processo. Questo fenomeno è noto come paramagnetismo. In alcuni metalli, come il ferro, le forze interatomiche sono tali che i magneti atomici si allineano su regioni di alcune migliaia di atomi. Queste regioni sono chiamate domini. Nel ferro normale i domini sono orientati in modo casuale, quindi il materiale non è magnetico. Se il ferro viene messo in un forte campo magnetico, tuttavia, i domini si allineeranno e rimarranno allineati anche dopo la rimozione del campo esterno. Di conseguenza, il pezzo di ferro acquisirà un forte campo magnetico. Questo fenomeno è noto come ferromagnetismo. I magneti permanenti sono realizzati in questo modo.