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Metallurgie - Elektrische Eigenschaften

Elektrische Eigenschaften

Das elektrische Leitfähigkeit eines Metalls (oder seiner wechselseitigen elektrischen)spezifischer Widerstand ) wird durch die Leichtigkeit der Bewegung von Elektronen an den Atomen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bestimmt . Diese Bewegung ist besonders einfach bei Kupfer , Silber , Gold und Aluminium - allesamt bekannte Stromleiter. Die Leitfähigkeit eines bestimmten Metalls wird durch Phänomene verringert, die die sich bewegenden Elektronen ablenken oder streuen. Dies kann alles sein, was die lokale Perfektion der atomaren Anordnung zerstört - zum Beispiel Verunreinigungsatome, Korngrenzen oder die zufällige Schwingung von Atomen, die durch induziert wirdWärmeenergie . Dieses letzte Beispiel erläutert , warum die Leitfähigkeit eines Metalls erhöht wesentlich mit fallender Temperatur: in einem reinen Metall bei Raumtemperatur , am meisten Widerstand gegen die Bewegung der freien Elektronen kommt von den thermischen Schwingungen der Atom; Wenn die Temperatur auf nahezu den absoluten Nullpunkt gesenkt wird , wo die Wärmebewegung im Wesentlichen stoppt, kann sich die Leitfähigkeit um das Tausendfache erhöhen.

Magnetische Eigenschaften

Wenn ein elektrischer Strom durch eine Spule aus Metalldraht geleitet wird, aUm die Spule herum entwickelt sich ein Magnetfeld . Wenn ein Stück Kupfer in die Spule eingelegt wird, erhöht sich dieses Feld um weniger als 1 Prozent. Wenn jedoch ein Stück Eisen , Kobalt oder Nickel in die Spule eingelegt wird, kann sich das äußere Feld um das 10.000-fache erhöhen. Diese starke magnetische Eigenschaft ist bekannt alsFerromagnetismus und die drei oben aufgeführten Metalle sind die bekanntesten ferromagnetischen Metalle. Wenn das ferromagnetische Metallstück von der Spule entfernt wird, behält es einen Teil dieses Magnetismus bei (dh es ist magnetisiert). Wenn das Metall hart ist, wie bei einem gehärteten Stück Stahl , kann der Verlust oder die Umkehrung vonDie Magnetisierung ist langsam und die Probe ist als Permanentmagnet nützlich. Wenn das Metall weich ist, verliert es schnell seinen Magnetismus; Dies macht es nützlich bei elektrischen Transformatoren, bei denen eine schnelle Umkehrung der Magnetisierung wesentlich ist.

In vielen Arten von Festkörpern besitzen die Atome eine permanente magnetisches Moment (sie wirken wie kleine Stabmagnete). In den meisten Festkörpern ist die Richtung dieser Momente zufällig angeordnet. Das Besondere an ferromagnetischen Festkörpern ist, dass die interatomaren Kräfte bewirken, dass sich die Momente benachbarter Atome spontan in die gleiche Richtung ausrichten. Wenn die Momente aller Atome in einer einzelnen Probe in die gleiche Richtung ausgerichtet wären, wäre die Probe ein außergewöhnlich starker Magnet mit außergewöhnlich hoher Energie. Diese Energie würde reduziert, wenn die Probe in Domänen zerfällt, wobei alle Atommomente in jeder Domäne ausgerichtet sind, aber die Magnetisierungsrichtung in benachbartenDomänen sind in entgegengesetzte Richtungen gerichtet und neigen daher dazu, sich gegenseitig aufzuheben. Dies passiert, wenn ein ferromagnetisches Metall magnetisiert wird: Alle Domänen nehmen nicht dieselbe Orientierung an, aber Domänen einer Orientierung wachsen auf Kosten anderer. Die Ausrichtung atomarer magnetischer Momente innerhalb einer Domäne wird durch thermisch induzierte Schwingungen geschwächt, und der Ferromagnetismus geht schließlich oberhalb des Curie-Punkts verloren , der für Eisen 770 ° C und für Nickel 358 ° C beträgt.

Chemische Eigenschaften

Fast jedes Metall wird an der Luft oxidieren , die einzige Ausnahme ist Gold. Bei Raumtemperatur oxidiert eine saubere Metalloberfläche sehr wenig, da sich ein dünner Oxidfilm bildet und das Metall vor weiterer Oxidation schützt. Bei erhöhten Temperaturen ist die Oxidation jedoch schneller und der Film ist weniger schützend. Viele Chemikalien beschleunigen diesen Korrosionsprozess (dh die Umwandlung eines Metalls in ein Oxid in Luft oder in ein Hydroxid in Gegenwart von Wasser).

Eine besondere Eigenschaft von Metalloberflächen ist ihre Fähigkeit dazu chemische Reaktionen katalysieren . Beispielsweise passieren im Abgassystem der meisten Automobile Verbrennungsgase eine Dispersion sehr feiner Platinpartikel. Die Oberflächen dieser Partikel beschleunigen die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxid und Wasser erheblich und verringern so die Toxizität der Abgase.