Atommaterie

Leiter und Isolatoren

Die Art und Weise, wie Atome miteinander verbunden sind, beeinflusst die elektrischen Eigenschaften der Materialien, die sie bilden. Beispielsweise schweben in Materialien, die durch die Metallbindung zusammengehalten werden, Elektronen lose zwischen den Metallionen. Diese Elektronen können sich frei bewegen, wenn eine elektrische Kraft angewendet wird. Wenn beispielsweise ein Kupferdraht an den Polen einer Batterie angebracht ist, fließen die Elektronen in den Draht. Somit fließt ein elektrischer Strom und das Kupfer soll ein Leiter sein.

Der Elektronenfluss innerhalb eines Leiters ist jedoch nicht ganz so einfach. Ein freies Elektron wird für eine Weile beschleunigt, kollidiert dann aber mit einem Ion. Während des Kollisionsprozesses wird ein Teil der vom Elektron aufgenommenen Energie auf das Ion übertragen. Infolgedessen bewegt sich das Ion schneller und ein Beobachter bemerkt den Temperaturanstieg des Drahtes. Diese Umwandlung elektrischer Energie aus der Bewegung der Elektronen in Wärmeenergie wird als elektrischer Widerstand bezeichnet. Bei einem Material mit hohem Widerstand erwärmt sich der Draht schnell, wenn elektrischer Strom fließt. In einem Material mit geringem Widerstand, wie Kupferdraht, verbleibt der größte Teil der Energie bei den sich bewegenden Elektronen, sodass das Material die elektrische Energie gut von einem Punkt zum anderen bewegen kann. Aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit und seiner relativ geringen Kosten wird Kupfer häufig in elektrischen Leitungen verwendet.

Die genau entgegengesetzte Situation ergibt sich bei Materialien wie Kunststoffen und Keramiken, bei denen alle Elektronen in ionische oder kovalente Bindungen eingebunden sind. Wenn solche Materialien zwischen die Pole einer Batterie gelegt werden, fließt kein Strom - es gibt einfach keine Elektronen, die sich frei bewegen können. Solche Materialien werden Isolatoren genannt.

Magnetische Eigenschaften

Die magnetischen Eigenschaften von Materialien hängen auch mit dem Verhalten von Elektronen in Atomen zusammen. Ein Elektron in der Umlaufbahn kann als Miniaturschleife elektrischen Stroms betrachtet werden. Nach den Gesetzen des Elektromagnetismus erzeugt eine solche Schleife ein Magnetfeld. Jedes Elektron in der Umlaufbahn um einen Kern erzeugt ein eigenes Magnetfeld, und die Summe dieser Felder bestimmt zusammen mit den Eigenfeldern der Elektronen und des Kerns das Magnetfeld des Atoms. Wenn sich nicht alle diese Felder aufheben, kann das Atom als winziger Magnet betrachtet werden.

In den meisten Materialien zeigen diese Atommagnete in zufällige Richtungen, so dass das Material selbst nicht magnetisch ist. In einigen Fällen - zum Beispiel wenn zufällig orientierte Atommagnete in einem starken externen Magnetfeld platziert werden - richten sie sich aus und verstärken dabei das externe Feld. Dieses Phänomen ist als Paramagnetismus bekannt. In einigen Metallen wie Eisen sind die interatomaren Kräfte derart, dass sich die Atommagnete über Regionen mit einem Durchmesser von einigen tausend Atomen ausrichten. Diese Regionen werden als Domänen bezeichnet. Bei normalem Eisen sind die Domänen zufällig ausgerichtet, sodass das Material nicht magnetisch ist. Wenn Eisen jedoch in ein starkes Magnetfeld gebracht wird, richten sich die Domänen aus und bleiben auch nach dem Entfernen des externen Feldes in einer Reihe. Infolgedessen erhält das Eisenstück ein starkes Magnetfeld. Dieses Phänomen ist als Ferromagnetismus bekannt. Permanentmagnete werden auf diese Weise hergestellt.

Der Kern