Waarom zet een metaal uit?
Ieder metaalatoom trilt om zijn eigen middelpunt en dat noemt men de amplitude. Dat betekent dat een atoom naar alle richtingen een kleine trillende beweging zal maken waardoor het een bepaalde bolvormige ruimte beschrijft (zie afbeelding). De grootte c.q. uitslag van de amplitude is afhankelijk van de temperatuur. Hoe hoger de temperatuur hoe hoger deze amplitude. M.a.w. dan zal ook de grootte van de bolvormige ruimte toenemen. Dat betekent weer dat deze bol meer plek in gaat nemen en dat geldt ook voor de andere atomen in het atoomrooster. Het gevolg daarvan is weer dat het materiaal uit gaat zetten zodra de temperatuur stijgt.
Ko Buijs - www.innometconsultancy.nl
De valentie-elektronen in de buitenste schil van de metaalatomen ‘springen’ gemakkelijk van het ene atoom naar het andere atoom vanwege een relatief lage bindingsgraad van deze elektronen met de kern. Dit mechanisme levert per definitie een metaalbinding op. M.a.w. dankzij dit overspringen worden de atomen aan elkaar gekoppeld waardoor de metaalbinding een feit is. Dat deze valentie-elektronen zich vrijelijk door het metaalrooster kunnen bewegen zorgt er ook voor dat een metaal stroom kan geleiden. De elektronen ondervinden steeds meer weerstand om dit sprongetje te maken zodra de temperatuur gaat stijgen. Dat komt omdat die trillingen steeds groter worden waardoor de sprong van het ene atoom naar het andere wordt bemoeilijkt. Dat verklaart dan weer dat de elektrische weerstand toe gaat nemen naarmate de temperatuur stijgt.
Blijft de temperatuur maar verder stijgen dan wordt de onderlinge samenhang van de atomen dermate gering dat het metaal uiteindelijk vloeibaar wordt. Gaat men nog verder omhoog met de temperatuur dan zal het vloeibare metaal overgaan in een gasfase.
Tweedimensionale voorstelling van een atoomtrilling.
Zodra de temperatuur gaat dalen neemt de elektrische weerstand weer af omdat immers de atoomtrillingen qua amplitude kleiner gaan worden. Dat betekent ook dat het materiaal gaat krimpen. Ieder metaal heeft zijn eigen fysische eigenschappen en dat betekent dat het ene metaal veel meer of minder uitzet dan de andere. Aluminium bijvoorbeeld zet wel drie keer zoveel uit als titaan zodra het warmer wordt. Maar het gebeurt allemaal door hetzelfde mechanisme van atoomtrillingen.
Laat men de temperatuur verder dalen dan komt er een keer een moment dat de atomen stil komen te staan en dat is inderdaad het geval bij de absolute nulpunt. Die temperatuur is per definitie 0°Kelvin en dat komt overeen met ongeveer -273°C. Bij die extreem lage temperatuur staan de atomen thermodynamisch gezien stil en dat is de reden dat men supergeleiding krijgt omdat de elektrische weerstand weg is gevallen. De reden hiervan is dat elektronen zonder enige ‘moeite’ van het ene atoom naar het andere kunnen bewegen.
Door twee verschillende metalen met elkaar te verbinden m.b.v. het lasproces kan men thermische vermoeiing krijgen zodra deze twee metalen een groot verschil hebben in uitzettingscoëfficiënt. Bijvoorbeeld austenitisch roestvast staal zet circa 1,5x zoveel uit als koolstofstaal. Doorloopt een dergelijke zwart/wit verbinding regelmatig een groot temperatuurtraject dan ontstaan er mechanische spanningen op de overgang door het verschil in uitzettingsgedrag. Deze wisselende spanningen kunnen uiteindelijk dan leiden tot een zeer lokale plastische vervorming waardoor vermoeiingschade kan ontstaan. Dit noemt men thermische vermoeiing en dat kan op den duur leiden tot scheurvorming en zelfs tot breuk en dat gevaar moet men bepaald niet onderschatten. Uiteraard treedt dit niet op indien men twee verschillende metalen aan elkaar verbindt die qua uitzettingscoëfficiënt nagenoeg hetzelfde zijn.