Propriétés de la physique à l'état solide, structure, exemples

La Physique du solide C'est la branche de la physique qui traite de l'étude de la matière lorsqu'elle est dans un état de basse énergie, appelé état solide, Grâce à l'utilisation de théories physiques telles que la mécanique quantique, la physique statistique, la thermodynamique, l'électromagnétisme et la cristallographie.

À l'état solide, l'énergie d'attraction intermoléculaire est inférieure à l'énergie thermique, donc les molécules peuvent à peine vibrer autour de positions plus ou moins fixes. Certains solides sont amorphes au niveau moléculaire, tandis que d'autres ont une structure plus ordonnée, comme les cristaux.

Quelques exemples de matériaux solides sont le sable de silice, le verre, le graphite (charbon minéral), le sel commun, le sucre raffiné, le fer, le cuivre, la magnétite, le quartz et bien d'autres.

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Caractéristiques à l'état solide

Les matériaux solides ont la principale caractéristique selon laquelle, dans des conditions normales, c'est-à-dire s'ils ne sont pas soumis à de grands efforts externes, ils maintiennent leur volume et leur forme.

Cela contraste avec des liquides qui, bien qu'ils puissent maintenir leur volume, changer leur forme en s'adaptant au conteneur qui les contient. Le contraste est encore plus grand avec les gaz, car ceux-ci peuvent être compressés ou étendus en modifiant leur volume et leur forme.

Cependant, les solides peuvent varier leur volume lorsqu'ils sont soumis à des changements de température suffisamment larges pour avoir des effets notables, mais sans transition de phase se produit vers un autre état de matière.

Les solides peuvent être amorphes dans sa structure moléculaire interne. Par exemple, le verre est un matériau amorphe, même considéré par beaucoup comme un liquide trop infrayé. Cependant, le quartz et le diamant ont une structure cristalline, c'est-à-dire que leurs atomes suivent des arrangements réguliers et spatialement périodiques.

Propriétés macroscopiques et microscopiques

La physique à l'état solide étudie la relation entre les propriétés à l'échelle macroscopique (des milliers ou des millions de fois plus à l'échelle atomique) et les propriétés à l'échelle moléculaire ou atomique.

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Dans un solide, les atomes sont très proches les uns des autres et l'interaction entre eux détermine leurs propriétés à l'échelle macro, telles que leurs caractéristiques mécaniques: rigidité et ductilité, ainsi que leurs propriétés thermiques, magnétiques, optiques et électriques.

Par exemple, la conductivité, la capacité thermique et la magnétisation sont des propriétés macroscopiques des solides qui dépendent directement de ce qui se passe à l'échelle moléculaire ou atomique.

Un exemple clair de l'importance de la physique solide est les semi-conducteurs. Comprendre ses propriétés au niveau microscopique permet des dispositifs tels que des transistors, des diodes, des circuits intégrés et des lumières LED, pour ne nommer que quelques applications.

Structure solide

Selon les conditions de pression et de température, ainsi que les processus suivis pendant leur formation, les matériaux solides acquièrent une certaine structure microscopique.

Par exemple, des matériaux aussi différents que le graphite et le diamant ne sont composés que d'atomes de carbone. Mais ses propriétés sont complètement différentes, car en dépit d'être composée du même type d'atomes, leurs structures microscopiques diffèrent considérablement.

Structure microscopique du diamant et du graphite

Les spécialistes de la métallurgie savent que, sur la base du même matériau, avec différents traitements thermiques, des résultats très différents sont obtenus dans l'élaboration de pièces, telles que les couteaux et les épées. Différents traitements conduisent à différentes structures microscopiques.

Selon leur formation, les solides peuvent essentiellement présenter trois types de structures microscopiques:

• Amorphe, S'il n'y a pas de régularité spatiale dans la disposition des atomes et des molécules.
• Monocristallin, Si les atomes sont disposés dans un ordre spatial, formant des arrangements ou des cellules qui sont répétées indéfiniment dans les trois dimensions.
• Polyristaline, Composé de plusieurs régions, non symétriques les unes avec les autres, où chaque région a sa propre structure monocystalline.

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Modèles de la physique du solide et de ses propriétés

La physique de la partie solide des principes fondamentaux pour expliquer les propriétés des matériaux solides, tels que la conductivité thermique et la conductivité électrique.

Par exemple, en appliquant une théorie cinétique à un électrons sans métal, ils sont traités comme s'ils étaient un gaz.

Et en supposant que les ions forment un substrat immobile, il est possible d'expliquer à la fois la conductivité électrique et la conductivité thermique des métaux. Bien que, dans la version classique de ce modèle, la conductivité thermique des électrons libres est supérieure à ce qui est obtenu à partir de mesures dans les matériaux conducteurs.

L'inconvénient est résolu en introduisant des corrections quantiques au modèle électronique libre d'un conducteur solide. De plus, s'ils sont censés suivre les statistiques de Fermi-Dirac, les prédictions théoriques s'accordent plus précisément avec les mesures expérimentales.

Cependant, le modèle d'électrons libres ne peut pas expliquer la conductivité thermique des solides qui ne sont pas des métaux.

Dans ce cas, l'interaction des électrons avec le réseau cristallin doit être prise en compte, qui est modélisé par un potentiel périodique dans l'équation de Schrodinger. Ce modèle prédit des bandes de conduite en fonction de l'énergie des électrons et explique la conductivité électrique dans les solides semi-conducteurs, un type de solide intermédiaire entre l'isolant et le métal conducteur.

Exemples à l'état solide

La physique du solide a évolué au point qui a permis la découverte de nouveaux matériaux tels que nanomatériaux solides Avec des propriétés uniques et extraordinaires.

Un autre cas d'exemple dans l'avancement de la physique solide est le développement de matériaux à deux dimensions ou monocouches, suivis de diverses applications telles que les cellules photovoltaïques et le développement de circuits intégrés semi-conducteurs.

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L'exemple classique du matériau à deux dimensions est le Graphène, qui n'est rien d'autre qu'un seul graphique de cap et qui a été obtenu pour la première fois en 2004.

D'autres exemples de solides à deux dimensions sont les suivants: phosphoréno, plombe, silicence et germacène.

Superconducteurs à haute température

Lévitation d'un aimant au moyen d'un supraconducteur en céramique à haute température

La supraconductivité a été découverte en 1911 par le Hollandais Kamerlingh Onnes (1853-1926) lorsqu'il s'est soumis à des températures très basses (de l'ordre des 4 K) des matériaux conducteurs tels que Mercury, Tin et Lead.

La supraconductivité a des applications technologiques importantes, telles que les trains de lévitation magnétique, tant qu'il peut être obtenu à des températures élevées (idéalement à température ambiante).

La physique du solide est dans cette recherche de supraconducteurs, comprise à haute température au-dessus de la température de l'azote liquide (77 K), une température relativement facile et bon marché à obtenir. À ce jour, le supraconducteur à température la plus élevée est un solide en céramique qui atteint cet état à une température de 138 K ou -135ºC.

Solides fortement corrélés

Les solides fortement corrélés sont de lourds composés fermioniques qui ont des propriétés potentielles technologiques inhabituelles. Par exemple, ils peuvent être manipulés pour passer des isolateurs aux conducteurs à travers des champs magnétiques.

Le développement de ce type de solides a également permis aux dispositifs de stockage magnétiques d'information d'augmenter exponentiellement leur capacité au cours des dernières décennies.

Thèmes d'intérêt

Exemples de solides.

Les références

1. Martin, Joseph D. 2015. "Qu'y a-t-il dans un changement de nom? Physique du solide, physique de la matière condensée et science des matériaux »(PDF). Physique en perspective. 17 (1): 3-32.
2. Kittel, Charles. Année mille neuf cents quatre-vingts-quinze. Introduction à la physique du solide. Rééditorial.
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4. Sheng S. Li. 2000. Semi-conducteur d'électronique physique. Springer-Verlag.
5. Wikipédia. Physique du solide. Récupéré de: est.Wikipédia.com