Propriedades de física de estado sólido, estrutura, exemplos

O Física de Estado Sólido É o ramo da física que lida com o estudo da matéria quando está em um estado de baixa energia, chamado Estado sólido, Através do uso de teorias físicas, como mecânica quântica, física estatística, termodinâmica, eletromagnetismo e cristalografia.

No estado sólido, a energia de atração intermolecular é menor que a energia térmica; portanto, as moléculas mal conseguem vibrar em torno de posições mais ou menos fixas. Alguns sólidos são amorfos no nível molecular, enquanto outros têm uma estrutura mais ordenada, como cristais.

Alguns exemplos de materiais sólidos são areia de sílica, vidro, grafite (carvão mineral), sal comum, açúcar refinado, ferro, cobre, magnetita, quartzo e muito mais.

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Características de estado sólido

Os materiais sólidos têm a principal característica de que, em condições normais, ou seja, se não estiverem sujeitas a grandes esforços externos, eles mantêm seu volume e forma.

Isso contrasta com líquidos que, embora possam manter seu volume, mude sua forma adaptando -se ao contêiner que os contém. O contraste é ainda maior com os gases, pois eles podem ser compactados ou expandidos alterando seu volume e forma.

No entanto, os sólidos podem variar seu volume quando são submetidos a mudanças de temperatura larga o suficiente para ter efeitos notáveis, mas sem uma transição de fase ocorre para outro estado de matéria.

Os sólidos podem ser amorfos em sua estrutura molecular interna. Por exemplo, o vidro é um material amorfo, mesmo considerado por muitos como um líquido super infinito. No entanto, o quartzo e o diamante têm uma estrutura cristalina, ou seja, seus átomos seguem acordos regulares e espacialmente periódicos.

Propriedades macroscópicas e microscópicas

Estado sólido estuda física A relação entre propriedades de escala macroscópica (milhares ou milhões de vezes mais alta na escala atômica) e as propriedades na escala molecular ou atômica.

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Em um sólido, os átomos estão muito próximos um do outro e a interação entre eles determina suas propriedades em escala macro, como suas características mecânicas: rigidez e ductilidade, e também suas propriedades térmicas, magnéticas, ópticas e de eletricidade.

Por exemplo, condutividade, capacidade de calor e magnetização são propriedades macroscópicas de sólidos que dependem diretamente do que acontece em escala molecular ou atômica.

Um exemplo claro da importância da física sólida são semicondutores. Compreender suas propriedades no nível microscópico permite dispositivos como transistores, diodos, circuitos integrados e luzes LED, só para citar alguns aplicativos.

Estrutura sólida

Dependendo das condições de pressão e temperatura, bem como dos processos seguidos durante sua formação, os materiais sólidos adquirem uma certa estrutura microscópica.

Por exemplo, materiais tão diferentes quanto grafite e diamante são compostos apenas de átomos de carbono. Mas suas propriedades são completamente diferentes, porque apesar de serem compostas pelo mesmo tipo de átomos, suas estruturas microscópicas diferem muito.

Estrutura microscópica de diamante e grafite

Os especialistas em metalurgia sabem que, com base no mesmo material, com diferentes tratamentos térmicos, resultados muito diferentes são obtidos na elaboração de peças, como facas e espadas. Diferentes tratamentos levam a diferentes estruturas microscópicas.

Dependendo de sua formação, os sólidos podem basicamente apresentar três tipos de estruturas microscópicas:

• Amorfo, Se não houver regularidade espacial no arranjo de átomos e moléculas.
• Monocristalino, Se os átomos estiverem dispostos em uma ordem espacial, formando arranjos ou células que são repetidas indefinidamente nas três dimensões.
• Poliristalina, Composto por várias regiões, não simétricas entre si, onde cada região tem sua própria estrutura monocistalina.

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Modelos da física do sólido e suas propriedades

A física da parte sólida dos princípios fundamentais para explicar as propriedades de materiais sólidos, como condutividade térmica e condutividade elétrica.

Por exemplo, aplicando a teoria cinética a um metal -sem elétrons, eles são tratados como se fossem um gás.

E sob a suposição de que os íons formam um substrato imóvel, é possível explicar a condutividade elétrica e a condutividade térmica dos metais. Embora, na versão clássica deste modelo, a condutividade térmica de elétrons livres seja maior do que o obtido a partir de medições em materiais condutores.

O inconveniente é resolvido com a introdução de correções quânticas no modelo de elétrons livres de um condutor sólido. Além disso, se eles devem seguir as estatísticas de Fermi-Dirac, as previsões teóricas concordam mais precisamente com medições experimentais.

No entanto, o modelo de elétrons livres não pode explicar a condutividade térmica de sólidos que não são metais.

Nesse caso, a interação de elétrons com a rede cristalina deve ser levada em consideração, que é modelada por potencial periódico na equação de Schrodinger. Este modelo prevê bandas de condução dependentes da energia dos elétrons e explica a condutividade elétrica em sólidos semicondutores, um tipo de sólido intermediário entre isolante e metal condutor.

Exemplos de estado sólido

A física do estado sólido evoluiu até o ponto que permitiu a descoberta de novos materiais, como nanomateriais sólidos Com propriedades únicas e extraordinárias.

Outro caso de exemplo no avanço da física sólida é o desenvolvimento de materiais bilimensionais ou monocamadas, seguidos por diversas aplicações como células fotovoltaicas e o desenvolvimento de circuitos integrados semicondutores.

Pode servir a você: Peso (físico): cálculo, unidades, exemplos, exercícios Nanotubus de grafeno

O exemplo clássico de material bidimensional é o Grafeno, o que nada mais é senão um único gráfico do Cabo e que foi obtido pela primeira vez em 2004.

Outros exemplos de sólidos bidimensionais são: fosforeno, plumben, silício e germaceno.

Supercondutores de alta temperatura

Levitação de um ímã por meio de um supercondutor de cerâmica de alta temperatura

A supercondutividade foi descoberta em 1911 pelos holandeses Kamerlingh Onnes (1853-1926), quando submetido a temperaturas muito baixas (da ordem dos 4 K) materiais condutores, como mercúrio, estanho e chumbo.

A supercondutividade possui aplicações tecnológicas importantes, como trens de levitação magnética, desde que possam ser obtidos em altas temperaturas (idealmente à temperatura ambiente).

A física do sólido está nesta busca por supercondutores, sendo entendida por alta temperatura acima da temperatura do nitrogênio líquido (77 K), uma temperatura relativamente fácil e barata para obter. Até o momento, o supercondutor de temperatura mais alto é um sólido cerâmico que atinge esse estado a uma temperatura de 138 K ou -135ºC.

Sólidos fortemente correlacionados

Os sólidos fortemente correlacionados são compostos fermiônicos pesados ​​que têm propriedades de potencial tecnológico incomuns e excelentes. Por exemplo, eles podem ser manipulados para passar de isoladores para motoristas através de campos magnéticos.

O desenvolvimento desse tipo de sólido também permitiu que os dispositivos de armazenamento magnético das informações aumentassem exponencialmente sua capacidade nas últimas décadas.

Assuntos de interesse

Exemplos de sólidos.

Referências

1. Martin, Joseph D. 2015. "O que está em uma mudança de nome? Física de Estado Sólido, Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais ”(PDF). Física em perspectiva. 17 (1): 3-32.
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