Ты сидишь на стуле, держишь телефон, стоишь на полу — всё это твёрдые тела. В этом уроке — заглянем внутрь: почему металл проводит ток, а резина нет, откуда берутся кристаллы и как работают полупроводники, на которых стоит весь твой телефон.
В твёрдом теле атомы не бегают как в газе, а замирают в строгом порядке — кристаллической решётке. Узлы решётки — атомы, связи между ними — как тугие пружинки. Атомы только колеблются около своих мест.
Молекулы воды собираются в гексагональные (шестиугольные) ячейки решётки. Шесть лучей — это проявление порядка на уровне кристалла. Ледяные кристаллы рассказывают о своей решётке формой.
Потяни твёрдое тело — оно сопротивляется: притяжения и пружинки в решётке возвращают всё назад. Это упругость.
Деформировали до предела — упругость заканчивается, начинается необратимая деформация, а потом разрушение. Прочностью материалов занимается специальная наука — сопромат.
Нагрели твёрдое — атомы заколебались сильнее и «раздвинули» решётку. Длина растёт примерно пропорционально изменению температуры:
Рельсы укладывают с зазорами, мосты ставят на подвижные опоры, железобетон армируют, чтобы он не лопнул от перепадов температур. Летом металлический мост растёт, зимой сжимается — и любой из них без компенсации просто разорвало бы.
В металле часть электронов отрывается от атомов и образует «электронный газ», который легко течёт по решётке. Это свободные электроны — за счёт них металл проводит ток. Подержи в руках железную ложку — она отберёт тепло быстро: свободные электроны переносят и тепло тоже.
В диэлектриках (резина, стекло, дерево) электроны намертво привязаны к атомам. Свободных носителей нет — ток не течёт. Диэлектрики держат изоляцию проводов и обкладки конденсаторов.
Золотая середина: кремний и германий не проводят как металл, но при нагреве или примесях... начинают! Открытие полупроводников изменило мир.
Соедини полупроводник p-типа с n-типом — получится p-n переход. В одну сторону ток проходит (прямое напряжение), в другую — почти не проходит (обратное напряжение). Это выпрямитель — диод!
Из диодов строятся выпрямители (превращают переменный ток в постоянный), светодиоды (светятся при прохождении тока), солнечные батареи (свет рождает ток). А кремний с сотнями миллионов p-n переходов — это и есть твой процессор.
При очень низких температурах некоторые металлы теряют сопротивление полностью. Ток в сверхпроводящем кольце течёт годами без затухания. На сверхпроводниках работают томографы в больницах и ускорители частиц.
Светодиод освещает современные города. Полупроводники — в солнечных панелях, датчиках, транзисторах. Сверхпроводники — в магнитной левитации поездов. Твёрдое тело — фундамент всей современной техники.