PROPRIETATI GENERALE ALE SUBSTANTELOR

PROPRIETATI GENERALE ALE SUBSTANTELOR

1. Proprietati electrice ale substantelor

In functie de comportarea lor intr-un camp electric exterior, substantele se clasifica in conductori electrici, izolatori electrici si semiconductori.

1. conductorii electrici - conduc curentul electric datorita existentei purtatorilor liberi de sarcini electrice (electroni sau ioni) si se impart la randul lor in:

a) conductori electronici sau de ordinul I (metale, aliaje, grafit), la care conductibilitatea electrica se realizeaza prin intermediul electronilor liberi din banda de conductie;

b)       conductori ionici sau de ordinul II (solutii sau topituri de electroliti), la care conductibilitatea electrica se realizeaza prin intermediul ionilor.

izolatorii electrici sau dielectricii - nu conduc curentul electric deoarece nu contin purtatori de sarcina liberi (substante moleculare polare sau nepolare, substante ionice in stare solida, gaze neionizate).

semiconductorii - substante ce au conductibilitatea electrica intre conductori si dielectrici (cristale de Si, Ge; compusi formati din doua elemente: SiC, InAs, InSb, ZnO, ZnS, CdS, CuI; compusi organici: polimeri vinilici, ftalocianuri).

1. Conductorii de ordinul I se caracterizeaza prin conductibilitate electrica ridicata. Conductibilitatea electrica a metalelor este datorata electronilor din benzile de conductie, care transmit electricitatea prin metal. Conductibilitatea electrica a metalelor depinde de valenta acestora, respectiv de marimea benzii de conductie. Cu cat banda de conductie este mai mare (valenta mai mica), cu atat conductibilitatea electrica a metalului este mai mare.

Conductibilitatea electrica a metalelor scade cu cresterea temperaturii datorita cresterii amplitudinii vibratiilor atomilor si ionilor din nodurile retelei cristaline, ceea ce duce la o micsorare a mobilitatii electronilor.

Conductibilitati specifice (la 293 K) ale unor substante:

Unele metale, aliaje, nitruri sau carburi ale metalelor grele si unii semiconductori, in jurul temperaturii de 0 K (zero absolut) devin supraconductibile, adica nu mai opun rezistenta la trecerea curentului electric. Temperatura la care apare acest fenomen se numeste temperatura critica de supraconductibilitate. Explicatia acestui comportament consta in micsorarea amplitudinii vibratiilor atomilor si ionilor din nodurile de retea, odata cu scaderea temperaturii. Temperatura critica de supraconductibilitate pentru cateva metale este: Al = 1,17 K; Zr = 0,75 K; Mo = 1,00 K; Zn = 0,88 K.

Dielectricii - se caracterizeaza prin puterea lor izolatoare - adica au rezistivitate specifica foarte mare, prin rigiditate dielectrica - adica tensiunea de strapungere raportata la grosime si prin constanta dielectrica e, care este o constanta intrinseca a substantelor. Constanta dielectrica este o marime adimensionala, care pentru vid are valoarea egala cu unitatea (e = 1). Cu cat constanta dielectrica a unei substante este mai mare, campul electric este mai mult slabit.

Semiconductorii. Structura benzilor de energie depinde de structura electronica a atomilor si de natura legaturilor interatomice.

La metale banda de valenta si banda de conductie sunt adiacente. In semiconductori si in dielectrici banda de valenta (BV), care este complet ocupata, se gaseste la o anumita distanta fata de banda de conductie (BC), care in stare fundamentala nu este ocupata cu electroni.

metale dielectrici semiconductori

Intervalul dintre cele doua benzi nu poate fi ocupat cu electroni din cauze mecanic-cuantice si constituie zona interzisa (Z.I.). La metale, trecerea electronilor din banda de valenta in banda de conductie se produce fara consum de energie, iar la dielectrici si la semiconductori aceasta trecere necesita energie. Energia necesara este cu atat mai mare cu cat zona interzisa este mai mare, iar proprietatile elementului respectiv vor fi mai indepartate de cele metalice. La semiconductori latimea zonei interzise este mai mica de 3 eV.

Semiconductorii pot fi intrinseci si extrinseci.

Semiconductorii intrinseci - conductibilitatea electrica este determinata de electronii proprii. Din aceasta categorie fac parte elemente de tranzitie intre metale si nemetale, in stare foarte pura (Si, Ge) si cu structura de diamant.

Banda de valenta este complet ocupata, cea de conductie este complet libera si intre ele exista o zona interzisa de o anumita latime. Pentru a trece din banda de valenta in banda de conductie un electron poate fi excitat termic sau fotochimic. Daca energia absorbita este mai mare sau egala cu latimea zonei interzise, electronul trece din banda de valenta in banda de conductie. Pentru fiecare tranzitie in banda de conductie apare un nivel ocupat de un electron, iar in banda de valenta un nivel liber respectiv un gol (notat +).

Atat electronul din banda de conductie cat si golul din banda de valenta participa la transmiterea curentului electric. Conductibilitatea electrica datorata electronilor din banda de conductie se numeste conductibilitate de tip n, iar cea datorata golurilor din banda de valenta se numeste conductibilitate de tip p.

La aplicarea unui camp electric electronii din banda de conductie se vor deplasa in sens invers campului, iar golurile in sensul campului electric.

Perechea electron-gol poate sa se anihileze dupa un anumit timp (revenirea electronului excitat pe un nivel liber din banda de valenta) proces numit recombinarea purtatorilor de sarcina.

Semiconductorii extrinseci - se obtin prin impurificarea voita a unui semiconductor cu atomi straini - proces numit dopare - in cantitati foarte mici si exact controlate - un atom strain la 10⁸ atomi de Si sau Ge.

Sunt doua feluri de dopanti:

a)     dopanti donori (de tip n) - atomi cu Z mai mare decat elementul de baza (ex: Si dopat cu P, As, Sb). Conductibilitatea se realizeaza prin e^- din banda de conductie.

b)     dopanti acceptori (de tip p) - atomi cu Z mai mic decat elementul de baza (ex: Si dopat cu B, Al, Ga, In). Conductibilitatea se realizeaza prin golurile din banda de valenta.

c)     dubla dopare - daca un cristal de Si cuprinde portiuni vecine cu dopanti diferiti, intr-o parte de tip n si in cealalta de tip p, atunci limita dintre ele se numeste jonctiune p-n. Golurile din regiunea p vor difuza catre regiunea n si electronii din regiunea n vor difuza in regiunea p, rezultand o recombinare a electronilor cu golurile. Regiunea p saraceste in goluri si devine negativa, iar regiunea n saraceste in electroni si devine pozitiva. Rezultatul este aparitia unei bariere de potential la jonctiunea p-n si atingerea unei stari stationare. Printr-un asemenea cristal dublu dopat (dioda) trece curent electric numai cand partea p este conectata la electrodul pozitiv si partea n la electrodul negativ.

Aplicatii ale semiconductorilor: diode, redresori, tranzistori, fotoelemente.

Proprietati magnetice ale substantelor

Orice sarcina electrica aflata in miscare genereaza un camp magnetic. Magnetismul substantelor este cauzat de miscarea sarcinilor electrice, ale particulelor elementare. Electronii genereaza proprietati magnetice electronice, iar nucleele genereaza proprietati magnetice nucleare. Proprietatile magnetice ale substantelor apar la interactiunea acestora cu un camp magnetic exterior.

Atomii, ionii sau moleculele introduse intr-un camp magnetic primesc un moment magnetic indus, se magnetizeaza. Intensitatea magnetizarii este data de relatia:

I = c H

unde: H = intensitatea campului magnetic exterior inductor;

c = constanta de proportionalitate, numita susceptibilitate magnetica.

Susceptibilitatea magnetica este o marime caracteristica fiecarei substante si exprima capacitatea acesteia de a se magnetiza (magnetizarea produsa de unitatea de camp). Sensul si marimea magnetizarii depind de semnul si valoarea susceptibilitatii magnetice:

- substantele la care c are valori negative, atunci cand se afla intr-un camp magnetic, sunt respinse spre zonele cu densitate minima a liniilor de forta ale campului magnetic si se orienteaza perpendicular pe aceste linii (cazul substantelor diamagnetice-fig. a);

- substantele la care c are valori pozitive, atunci cand se afla intr-un camp magnetic, sunt atrase spre zonele cu densitate maxima a liniilor de forta ale campului magnetic si se orienteaza paralel cu aceste linii (cazul substantelor paramagnetice, feromagnetice, antiferomagnetice si ferimagnetice - fig. b).

Susceptibilitatea magnetica depinde de temperatura si de structura electronica a stratului de valenta, respectiv, de existenta sau inexistenta electronilor necuplati.

Diamagnetismul apare la substantele sau speciile chimice, care au in structura lor numai electroni cuplati. Ele nu au moment magnetic propriu, iar susceptibilitatea lor magnetica are valori negative si foarte mici si nu depinde de temperatura. Exemple de substante diamagnetice:

- gaze rare - He; Ne; Ar; Kr;

- ioni cu structura de gaz rar - Na⁺; K⁺; Ca²⁺; Cl^-; Br^-;

- substante ionice - NaCl;

- substante moleculare - Cl₂; Br₂; H₂; HCl;

- substante covalente - diamant; grafit;

- metale tranzitionale - Cu; Ag; Au.

Toate celelalte categorii de substante prezinta in structura lor electronica electroni necuplati (neimperecheati), care prin miscarea de rotatie in jurul axei proprii (miscare de spin electronic) vor genera un camp magnetic caracterizat de un moment magnetic propriu (moment de spin electronic). Ca urmare, aceste substante vor interactiona cu campul magnetic exterior, fiind atrase de acesta si in acest caz susceptibilitatea magnetica are valori pozitive, dependente de temperatura. Este cazul substantelor paramagnetice, feromagnetice, antiferomagnetice si ferimagnetice.

Paramagnetismul este specific atomilor, ionilor si moleculelor care au electroni necuplati, astfel ca momentele magnetice de spin electronic ale acestora nu se mai compenseaza ci se insumeaza rezultand un moment magnetic permanent

In absenta unui camp magnetic exterior momentele magnetice de spin electronic, ale electronilor necuplati, au orientari intamplatoare. In prezenta unui camp magnetic omogen acestea au tendinta de a se orienta paralel cu liniile campului magnetic, dar sunt franate de miscarile termice ale atomilor. Susceptibilitatea magnetica a substantelor paramagnetice are valori pozitive, dar mici si scade continuu cu temperatura, deci magnetizarea acestor substante este slaba. Exemple de substante paramagnetice: Na; K; Al.

Feromagnetismul este proprietatea unor substante de a se magnetiza foarte puternic, chiar intr-un camp magnetic slab, ramanand magnetizate si dupa indepartarea acestuia (magnetizare remanenta).

Exemple de materiale feromagnetice:

- metale tranzitionale: Fe; Co; Ni;

- lantanide: Gd; Ce; Sm;

- aliaje metalice speciale (folosite ca electromagneti - mai feromagnetice decat Fe):

- Permalloy - aliaj Ni, Fe;

- Ticonal - aliaj Ti, Co, Ni, Al, Cu, Fe;

- Alnico - aliaj Al, Ni, Co, Cu, Fe.

Momentele magnetice de spin ale electronilor necuplati ai atomilor vecini din reteaua cristalina sunt orientate paralel pe domenii relativ mari din cristal (10^-3 cm), numite domenii Weiss, dar orientarea acestor domenii este diferita in absenta campului exterior. In prezenta campului magnetic exterior aceste domenii se orienteaza paralel, in directia acestuia, determinand o magnetizare puternica, ce se pastreaza si dupa indepartarea campului magnetic.

Susceptibilitatea magnetica, c, scade cu cresterea temperaturii, deosebindu-se de cea a substantelor paramagnetice (la care scaderea este continua), prin aparitia unei discontinuitati la o temperatura critica T_C, numita punct Curie, la care feromagnetismul dispare si substanta devine paramagnetica. Deci la punctul Curie feromagneticele devin paramagnetice, dar racite sub punctul Curie se remagnetizeaza. Explicatia consta in faptul ca datorita cresterii agitatiei termice cu temperatura se distruge orientarea ordonata a magnetilor elementari si reapare forma de magnetism dezordonat, specifica paramagnetismului.

Antiferomagnetismul apare in absenta unui camp magnetic exterior si consta in orientarea spontana, in sensuri opuse a spinilor electronici din atomii invecinati, dintr-o retea cristalina. Intr-un camp magnetic exterior magnetizarea este foarte mica la temperatura obisnuita datorita compensarii reciproce, dar creste cu temperatura pana la o valoare T_N, numita punct Neel, la care orientarile antiparalele dispar si substanta devine paramagnetica. Antiferomagnetice sunt: Cr, unele aliaje de Fe, Co, Ni, Cr, Mn, unele halogenuri, sulfuri, oxizi.

Ferimagnetismul determina proprietati asemanatoare substantelor feromagnetice, dar spre deosebire de acestea, substantele ferimagnetice sunt in majoritate semiconductori. Ferimagnetismul este propriu feritelor, care sunt oxizi micsti de fier si diferite metale divalente: Fe, Ni, Mn, Zn, cu formula generala MeO Fe₂O₃ sau MeFe₂O₄.

Lichidele pure au proprietati magnetice slabe. Lichide cu proprietati magnetice remarcabile denumite impropriu ferofluide se obtin prin dispersia unor particule feromagnetice de dimensiuni foarte mici, 30-150 A intr-un lichid: petrol, ulei, apa, etc. la concentratii de 10¹⁷ particule/cm³. Lichidul obtinut devine un material feromagnetic cu proprietati asemanatoare solidelor feromagnetice, dar pastreaza si proprietatile mecanice, electrice, chimice, specifice unui lichid. Ferofluidele au o serie de aplicatii ca: ferolubrifianti, lichide magnetice amortizoare, modularea intensitatii radiatiilor electromagnetice, combustibili pentru nave spatiale, cerneala magnetica.