原子問題

導体と絶縁体

原子が結合する方法は、それらが形成する材料の電気的特性に影響を与えます。たとえば、金属結合によって結合された材料では、電子は金属イオン間をゆるく浮遊します。これらの電子は、電気力が加えられると自由に動きます。たとえば、銅線がバッテリーの両極に取り付けられている場合、電子はワイヤーの内部を流れます。したがって、電流が流れ、銅は導体と言われています。

ただし、導体内部の電子の流れはそれほど単純ではありません。自由電子はしばらくの間加速されますが、その後イオンと衝突します。衝突プロセスでは、電子によって取得されたエネルギーの一部がイオンに転送されます。その結果、イオンはより速く移動し、観測者はワイヤーの温度上昇に気付くでしょう。電子の運動から熱エネルギーへのこの電気エネルギーの変換は、電気抵抗と呼ばれます。高抵抗の材料では、電流が流れるとワイヤーが急速に加熱されます。銅線などの低抵抗の材料では、ほとんどのエネルギーが移動する電子に残っているため、電気エネルギーをあるポイントから別のポイントに移動するのに適しています。その優れた導電特性は、比較的低コストであることから、電気配線に銅が一般的に使用されている理由です。

プラスチックやセラミックなど、電子がすべてイオン結合または共有結合に固定されている材料では、まったく逆の状況になります。これらの種類の材料がバッテリーの極の間に配置されている場合、電流は流れません。自由に移動できる電子はありません。そのような材料は絶縁体と呼ばれます。

磁気特性

材料の磁気特性は、原子内の電子の振る舞いと関連しています。軌道上の電子は、電流の小さなループと考えることができます。電磁気学の法則によれば、そのようなループは磁場を生成します。原子核の周りの軌道にある各電子は、独自の磁場を生成し、これらの磁場の合計は、電子と原子核の固有の磁場とともに、原子の磁場を決定します。これらのフィールドのすべてが相殺されない限り、原子は小さな磁石と考えることができます。

ほとんどの材料では、これらの原子磁石はランダムな方向を向いているため、材料自体は磁性ではありません。場合によっては（たとえば、ランダムに配向された原子磁石が強い外部磁場に置かれると）、それらが整列して、プロセスの外部磁場を強化します。この現象は常磁性として知られています。鉄などのいくつかの金属では、原子間力は、原子磁石が数千の原子を横切る領域に並ぶようなものです。これらの領域はドメインと呼ばれます。通常の鉄では、ドメインがランダムに配向しているため、材料は磁性ではありません。ただし、鉄を強い磁場に入れると、磁区が整列し、外部磁場を取り除いても整列したままになります。その結果、鉄片は強い磁場を獲得します。この現象は、強磁性と呼ばれます。この方法で永久磁石が作られます。

核