какое свойство характерно для твердого тела

Свойства твердых тел

Что считается твердым веществом

Твердое тело — одно из четырех основных агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия.

Когда говорят, что определенное тело имеет конкретную форму и не способно растекаться, физик отнесет его к группе твердых тел. Для него характерна микроскопическая структура, при которой атомы располагаются друг возле друга фиксировано, взаимодействуют посредством химических связей, часто образуя кристаллическую решетку.

Сегодня существует четыре основных агрегатных состояния веществ. Для каждого характерен ряд признаков. Твердое тело внешне отличается постоянством формы, а на микроскопическом уровне — малыми колебаниями атомов в районе положения равновесия. Изучением структуры таких тел занимается особый раздел науки — физика твердых тел.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Твердые тела окружают нас повсюду: на улице, внутри помещения, в транспорте. К ним относится та часть вещей, которую мы можем взять в руки и почувствовать на ощупь. Они не ограничены в размерах, цветах, а также могут иметь различные органолептические, химические и физические свойства. Однако существует ряд свойств, с учетом которых они объединены в общее агрегатное состояние.

В зависимости от особенностей кристаллической решетки принято различать кристаллические и аморфные состояния. Если в расположении атомов заметна пространственная периодичность (а также присутствует дальний порядок), такое состояние является кристаллическим. При колебаниях атомов вокруг хаотично расположенных точек говорят об аморфности тела. В аморфных телах сохраняется ближний порядок расположения атомов. При нем согласованность расположения сохраняется только для расстояний, которые могут быть сопоставимы с размерами самих частиц.

С точки зрения классического твердого тела, то оно имеет кристаллическое строение, а аморфное стремится к этому состоянию.

В зависимости от типов связи между атомами различают варианты:

Существует также классификация в зависимости от характера движения электронов снаружи атома (особенности, лежащие в основе электрических свойств), а именно:

По магнитным свойствам различают:

Поскольку атомы твердых тел, хоть и медленно, но движутся, они обладают тепловой энергией. Однако это при обычных условиях тактильно не чувствуется.

Какие физические свойства характерны твердым телам, таблица

При отсутствии внешнего воздействия твердое тело сохраняет свою форму. При появлении внешних сил, прилагаемых к нему, начинается процесс, который дает объяснение многим физическим процессам. Под действием наружных сил твердое тело начинает деформироваться, что можно назвать его сопротивлением. Признаком, свойственным твердым телам, является факт развития сопротивления даже при изгибах, кручениях, сдвигах.

Отличие упругого процесса в том, что по мере прекращения внешнего воздействия форма тела восстанавливается до первоначальных характеристик.

При пластической деформации возвращение начальной формы не происходит, в том числе по мере прекращения действия силы. Изменения не происходят одномоментно, для них необходимо длительное воздействие. Для обозначения таких процессов в физике применяется понятие «ползучесть».

При воздействии внешней силы, превышающей порог деформации твердого тела, наступает фаза разрушения. Время ее наступления зависит от прочности материала — величины, рассчитанной математически практически для всех применяемых веществ.

Кроме способности к деформации твердым телам свойственны следующие физические характеристики:

Отдельные твердые тела характеризуются сверхпроводимостью (при отсутствии сопротивления) — свойством, проявляющимся при низких температурах.

Кроме электрической, говорят об ионной проводимости. Материалы, в которых она присутствует, относят к классу супериоников. Чаще это так называемые ионные кристаллы.

Названные физические свойства твердых тел объясняются упорядочением в своем внутреннем строении. Структурные частицы (атомы, ионы, молекулы) составляют характерную кристаллическую решетку, в которой каждому элементу отведено конкретное место. Эти частицы совершают колебательные движения, однако они носят ограниченный характер. Частицы практически не сдвигаются со своих мест, позволяя сохранить телу твердость и постоянство формы. Именно такие особенности обуславливают нулевую сжимаемость тел, высокую плотность и определенную температуру плавления.

Для аморфных тел характерно наличие температурного интервала плавления.

В зависимости от коэффициентов своей плотности каждое твердое тело может в тот или иной момент расколоться под действием силы. Такое свойство называется хрупкостью. Показатели хрупкости также зависят от особенностей строение кристаллической решетки и определены экспериментальным путем.

Основной существенный признак

Составляя описание любого твердого тела, в первую очередь обращают внимание на его размеры и форму. В отличие от жидкого агрегатного состояния, при котором молекулы вещества колеблются вокруг определенных точек с возможностью выскакивать за пределы, в твердых телах их положение стабильно. Таким различным «поведением» структурных компонентов характеризуются жидкости (обладающие текучестью) и твердые вещества.

Точки, возле которых колеблются атомы, называются узлами кристаллической решетки.

В то же время структура кристаллической решетки стабильна не только в ближнем порядке. Она равномерна в различных направлениях кристалла, в т.ч. дальнем.

Благодаря особенностям своего молекулярного строения и наличию прочных связей внутри кристаллической решетки, твердые тела механически прочны. Внутрь них невозможно затекание прочего вещества, потому что расстояние между собственными атомами четко определено.

Относительно жидкого тела: молекулы, занимающие свои места на поверхности, испытывают действие силы со стороны соседних структурных единиц. При этом она направлена внутрь. Поэтому жидкость стремится занять минимальную площадь и сверху как будто покрыта пленкой. В состоянии невесомости любая жидкость вовсе примет форму шара. Для твердого тела такие особенности не свойственны. Его форма и размер, а также физические свойства останутся постоянными даже в состоянии невесомости. Однако под воздействием силы высокой интенсивности, межмолекулярные связи могут быть разрушены. Это проявится деформациями или разрушением. Для каждого твердого вещества, в зависимости от его индивидуальных особенностей (например, плотности) величины разрушающей силы различны.

Различная природа твердых тел обуславливает поведение каждого из них при воздействии внешних сил. Так, вещества, обладающие пластичностью, способны после деформации восстановить свою форму. Те, коэффициент хрупкости которых высок, способны рассыпаться до самых мелких частей.

Твердые тела, внутри которых существует кристаллическая решетка, характеризуются анизотропностью, т.е. их свойства зависят еще и от направлений внутри кристалла. Касательно металлов, анизотропности в основном не существует.

Применение свойств твердых тел на практике

Свойства твердых тел имеют широкое применение на практике. Без их участия не может развиваться промышленность, вестись строительство, изобретаться новые технологии.

В электротехнике и электронике широко используются материалы, проявляющие диэлектрические свойства. Основополагающим элементом подобного оборудования являются полупроводники, позволяющие внедрять новые достижения научно-технического прогресса. Кроме этого, широко применение магнитов, сверхпроводников, а также тех современных материалов, конструкция которых адаптирована к новейшим технологическим процессам.

Благодаря особенностям взаимодействия частиц, в частности у тел, имеющих кристаллическую решетку, твердые тела проявляют электропроводность и характеризуются теплоемкостью. В то же время для одних из твердых тел свойственно поглощение тепла (при этом они нагреваются сами), для других — нет.

Любая техническая отрасль использует твердые тела из-за проявляемых ими свойств. К ним относят:

Широко применяются кристаллы — твердые тела, в которых атомы и молекулы имеют четко определенное положение. Например, в основе действия квантовых генераторов (или лазеров) лежат характеристики монокристаллов.

Человечеству известно, что многие металлы и сплавы способны повышать свою электрическую проводящую способность при низких температурах. В основе этого явления — открытие Л.Купером связанных пар электронов. Сверхпроводящее состояние характеризуется отсутствием сопротивления электротоку и поэтому очень интересно с практической точки зрения в энергетической отрасли.

В быту и промышленности особенно ценится такая характеристика, как устойчивость к разрушению. Например, в автомобиле множество внутренних частей трутся друг о друга, поэтому их прочность особенно важна. Металлические детали по мере своей эксплуатации не меняют своей формы и размеров, выносливы к динамической, знакопеременной и статической нагрузкам. Это дает возможность длительной эксплуатации промышленного оборудования и бытовых технических приборов.

В тот же время в эксплуатации твердых тел важна их пластичность. В ряде технических приборов используются каучуковые прокладки. Они способны придавать амортизационные свойства, препятствуя разрушению внутренних деталей. Сохранение их параметров при длительной эксплуатации имеет свое название — износостойкость.

Для радиотехники важны электрические, оптические и магнитные свойства. Они же применяются в приборостроении. Приборы, основанные на полупроводниковых свойствах, исполняют роль электромагнитов на металлургических заводах, создают высокочастотные условия для функционирования измерительных приборов.

Использование твердых тел носит перспективный характер. По мере развития науки перечень их полезных свойств постоянно пополняется. Следовательно, будущее, как и настоящее, по мере их использования только выигрывает.

Источник

Механическое свойство твердых тел. Твердое тело. Твердые тела и их свойства

Твердый материал представляет одно из четырех агрегатных состояний, в котором может находиться окружающая нас материя. В данной статье рассмотрим, какие механические свойства твердым телам присущи, учитывая особенности их внутреннего строения.

Что такое твердый материал?

Вам будет интересно: Головкин Гавриил Иванович (1660–1734) — сподвижник Петра Первого: краткая биография

Приведенные выше примеры твердых материалов помогут более четко представить, какую важную роль они играют для жизни человека и технологического развития общества.

Существует несколько физико-химических дисциплин, изучающих рассматриваемое агрегатное состояние вещества. Перечислим лишь самые важные из них:

Структура твердых материалов

Вам будет интересно: Second Conditional, правило и примеры

Перед тем, как рассматривать механические свойства твердых тел, следует познакомиться с их внутренней структурой на атомном уровне.

Разнообразие твердых материалов по своей структуре велико. Тем не менее, существует универсальная классификация, в основу которой положен критерий периодичности расположения составляющих тела элементов (атомов, молекул, атомных кластеров). Согласной этой классификации все твердые вещества делятся на следующие:

Начнем со вторых. Аморфное тело не обладает какой-либо упорядоченной структурой. Атомы или молекулы в нем расположены хаотически. Эта особенность приводит к изотропии свойств аморфных материалов, то есть свойства не зависят от направления. Самым ярким примером аморфного тела является стекло.

Кристаллические тела или кристаллы, в отличии от аморфных материалов, имеют упорядоченное в пространстве расположение структурных элементов. В микромасштабе у них можно различить кристаллические плоскости и параллельные атомные ряды. Благодаря такой структуре кристаллы являются анизотропными. Причем анизотропия проявляется не только на механических свойствах твердых тел, но и на свойствах электрических, электромагнитных и других. Например, кристалл турмалина способен пропускать только колебания световой волны в одном направлении, что приводит к поляризации электромагнитного излучения.

Примерами кристаллов являются практически все металлические материалы. Они чаще всего встречаются в трех кристаллических решетках: гранецентрированной и объемно центрированной кубических (ГЦК и ОЦК, соответственно) и в гексагональной плотно упакованной (ГПУ). Еще одним примером кристаллов является знакомая всем поваренная соль. В отличие от металлов в ее узлах находятся не атомы, а анионы хлора или катионы натрия.

Прилагая к твердому веществу даже самое маленькое напряжение, мы вызываем его деформацию. Иногда деформация может быть настолько маленькой, что этого можно не заметить. Тем не менее, все твердые материалы деформируются при приложении внешней нагрузки. Если после снятия этой нагрузки деформация исчезает, то говорят об упругости материала.

В случае объемных металлов закон Гука принято записывать через приложенное внешнее напряжение σ, относительную деформацию ε и модуль Юнга E:

Модуль Юнга является постоянной величиной для конкретного материала.

Особенностью упругой деформации, которая отличает ее от деформации пластической, является обратимость. Относительные изменения размеров твердых веществ при упругой деформации не превышают 1%. Чаще всего они лежат в районе 0,2 %. Упругие свойства твердых тел характеризуются отсутствием смещения положений структурных элементов в кристаллической решетке материала после прекращения действия внешней нагрузки.

Если внешнее механическое усилие достаточно велико, то после прекращения его действия на теле можно видеть остаточную деформацию. Она называется пластической.

Пластичность твердых веществ

Мы рассмотрели упругие свойства твердых тел. Теперь перейдем к характеристикам их пластичности. Многие знают и наблюдали, что если молотком ударить по гвоздю, то он становится сплюснутым. Это пример пластической деформации. На атомном уровне она представляет собой сложный процесс. Пластическая деформация не может идти в аморфных телах, поэтому стекло при ударе по нему не деформируется, а разрушается.

Твердые тела и их свойство пластически деформироваться зависит от кристаллического строения. Рассматриваемая необратимая деформация происходит за счет перемещения в объеме кристалла специальных атомных комплексов, которые называются дислокациями. Последние могут быть двух видов (краевые и винтовые).

Из всех твердых материалов наибольшей пластичностью обладают металлы, поскольку они предоставляют большое количество направленных под разными углами в пространстве плоскостей скольжения для дислокаций. Наоборот, имеющие ковалентные или ионные связи материалы будут хрупкими. К ним можно отнести драгоценные камни или упомянутую поваренную соль.

Хрупкость и вязкость

Если постоянно прилагать внешнее воздействие на любой твердый материал, то он рано или поздно разрушится. Существует два вида разрушений:

Первое характеризуется возникновением и быстрым ростом трещин. Хрупкие разрушения приводят к катастрофическим последствиям на производстве, поэтому стараются использовать материалы и условия их эксплуатации, при которых разрушение материала было бы вязким. Последнее характеризуется медленным ростом трещин и поглощением большого количества энергии до разрушения.

Для каждого материала существует температура, которая характеризует хрупко-вязкий переход. В большинстве случаев уменьшение температуры переводит разрушение из вязкой области в хрупкую.

Циклические и постоянные нагрузки

В инженерии и физике свойства твердых тел также характеризуются по типу прилагаемой к ним нагрузки. Так, постоянное циклическое воздействие на материал (например, растяжение-сжатие) описывается так называемым сопротивлением усталости. Оно показывает, сколько циклов приложения конкретной величины напряжения материал гарантированно выдержит, не разрушившись.

Усталость материала также изучают при постоянной нагрузке, измеряя скорость деформации от времени.

Твердость материалов

Другие механические свойства

Твердые материалы обладают некоторыми другими механическими свойствами, помимо отмеченных выше. Перечислим их кратко:

Таким образом, микроскопическое строение твердых тел свойства их во многом определяет.

Источник

Свойства твердых тел

Вы будете перенаправлены на Автор24

Твердые тела обладают рядом специфических признаков и свойств. Они определяются различными параметрами и характерными чертами. В основе изучения этих свойств лежит познавательный процесс всего окружающего нас мира. Это входит в фундаментальные основы физики. Исследование сегодня проводятся не только на макроуровне, но и постигаются признаки привычных нам твердых тел, из которых состоит практически все вокруг.

Рисунок 1. Основные свойства твердых тел. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Типы твердых тел

Все твердые тела делятся на два основных типа:

Твердые тела состоят из многообразия бесконечных молекулярных связей. Без использования различных твердых тел, которые обладают отличными друг от друга специфическими свойствами невозможно сегодня представить себе развитие науки и техники. В настоящее время металлы и другие диэлектрики активно используются в электротехники, электронике различного уровня.

В основе такого оборудования лежат полупроводники, которые обладают уникальными свойствами, позволяющими совершать научно-технический прогресс ускоренными темпами. Это и различные магниты, сверхпроводники, иные новые материалы с полезными характеристиками. Поэтому изучение физики твердого тела напрямую связано с дальнейшим развитием науки и технологий.

Взаимодействие частиц порождают появление особенных свойств у твердых тел с кристаллической структурой внутреннего строения. Коллективные свойства электронов могут определять степень электропроводности различных твердых тел. Характер коллективного колебания атомов при взаимодействии определенной температурой позволяет говорить о способности к теплоемкости. Оно возникает в том случае, когда тела могут поглощать тепло в определенных пределах. Одни твердые тела более предрасположены к поглощению тепла и нагреваются сильнее, другие – нет.

Готовые работы на аналогичную тему

В кристаллах внутренняя структура вещества предполагает наличие кристаллической решетки. В таких твердых телах молекулы или атомы выстраиваются совершенно определенным и упорядоченным образом в пространстве. Кристаллы имеют плоские грани, а также строгую периодичность расположения узлов и элементов всей конструкции. По-иному устроены твердые тела аморфного типа. Они состоят из большого и беспорядочного скопления атомов.

Кристаллические тела обладают свойствами анизотропности, что предполагает зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. Все металлы имеют кристаллическую структуру, поэтому именно их человечество сегодня использует в качестве основного материала для строительства. Однако металлы в обычном своем состоянии не обнаруживают свойств анизотропности.

Есть случаи, когда одно и то же вещество может находиться в аморфном и кристаллическом состоянии.

Свойства аморфных тел

Аморфные твердые тела имеют признаки изотропности. Иными словами, физические свойства таких тел будут иметь одинаковые показатели по всем направления изучения. К таким телам часто относят стекло, смолу, леденцы. При определенном уровне внешних силовых воздействиях такие твердые тела преобразуются в иное состояние или приобретают иные признаки. К основным свойствам аморфных тел относят:

Упругость при этом подобно основным параметрам всех твердых тел, а текучесть имеет признаки жидкости. Такие тела при кратковременном силовом физическом воздействии ведут себя как твердые тела, обладая упругостью. Однако при более сильных и активных воздействиях могут расколоться на части. Если взаимодействия происходят интенсивно и на протяжении большого количества времени, тогда твердые тела подвержены текучести.

Рисунок 2. Особые свойства твердых тел. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Молекулы и атомы аморфных тел, как и в жидкостях имеют определенное время колебаний около положения равновесия. Время такого положения в отличие жидкости не такое большое, поэтому их по внутренним свойствам приближают к кристаллическим. Атомы не перестраиваются из одного положения в другое постоянно и надолго. Состояние равновесия атомов сохраняется практически без изменений. Аморфные тела при низких температурах полностью соответствуют свойствам твердых тел. Если температура стремится к повышению, связи на молекулярном уровне также изменяются. Эти тела приближенно напоминают свойства жидкостей.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке. Если происходит понимание свойств указанных веществ, то можно создавать такие материалы, которые будут соответствовать определенным характеристикам и свойствам.

Пластичность и хрупкость

Существуют такие материалы, которые испытывают пластичные деформации при относительно небольшом воздействии внешних факторов. Свойства пластичности характерны для аморфных твердых тел. Если тело способно разрушаться при небольших деформациях, тогда стоит говорить о твердых телах со свойствами хрупкости. Это специфическое физическое свойство имеет более важное значение на практике, чем упругость и пластичность.

В качестве наиболее хрупких материалов можно привести в пример изделия из фарфора. Все знают, что посуда может разбиваться на куски во время падения с высоты. Мрамор, чугун и янтарь также можно причислить к материалам, которые обладают довольно большой степенью хрупкости. Остальные металлы обычно не предполагают наличия таких свойств и выдерживают серьезные нагрузки до момент деформации или разрушения.

Специалисты неохотно делят твердые тела на пластичные и упругие, поскольку это деление носит условный характер. Это означает, что один и тот же материал способен приобретать те или иные свойства исходя из внешних факторов. Один материал может обладать свойствами упругости и пластичности в зависимости от возникающих напряжений.

Также у различных материалов есть собственный предел прочности. Он возникает в момент, когда напряжение в материале значительно превышает предел упругости. В этом случае, подверженный нагрузкам предмет не принимает исходных размеров и остается в деформированном виде.

При увеличении нагрузки на твердое тело процесс деформации происходит с новой силой и быстрее. При достижении максимума в определенной точке происходит разрыв материала. Напряжение в этот отрезок времен достигает предельного максимального значения. Деталь растягивается без увеличения внешней нагрузки до полного или частичного разрушения. Подобная величина будет зависеть от определенного материала и качества его обработки.

Источник

Свойства твёрдых тел в физике

Содержание:

Важнейшим тепловым свойством твёрдого тела является температура плавления — температура, при которой происходит переход в жидкое состояние. Другой важной характеристикой плавления является скрытая теплота плавления. В отличие от кристаллов, в аморфных твёрдых телах переход к жидкому состоянию с повышением температуры происходит постепенно.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Свойства твёрдых тел

Свойство твёрдого тела сопротивляться разрушению характеризуется прочностью. При разрушении в твёрдом теле появляются и распространяются трещины, которые в конце концов приводят к разлому. К механическим свойствам твёрдого тела принадлежит также его способность проводить звук, который является волной, переносящий локальную деформацию с одного места в другое.

Кристаллические и аморфные тела

Различают два рода твёрдых тел: кристаллические и аморфные. Оба эти рода тел существенно отличаются друг от друга по своим физическим свойствам.

1 Анизотропия — от греч. слов: анизос — неровный, тропос — поворот.

Покроем пластинку гипса и пластинку стекла тонким слоем воска или парафина и прикоснёмся к ним накалённой иглой (рис. 158). Мы увидим, что вокруг точки прикосновения О парафин расплавится, причём граница расплавленной площади на кристаллической пластинке гипса представляет собой эллипс (рис. 158, а), на стеклянной же пластинке — окружность (рис. 158, б).

Этот опыт показывает, что, в отличие от стекла, энергия в кристаллическом гипсе при его нагревании распространяется в разных направлениях неодинаково.

Существенным внешним признаком кристалла является его правильная геометрическая форма, причём характерным признаком кристаллической формы является одинаковость соответствующих углов между гранями кристаллов одного и того же вещества.

Примерами кристаллических тел являются кристаллы металлов, поваренной соли, медного купороса, кварца, квасцов и др. На рисунке 159 изображено семейство кристаллов горного хрусталя.

Если тело представляет собой один кристалл, то оно называется монокристаллом (монос — один).

Тело, состоящее из множества беспорядочно расположенных и сросшихся между собой мелких кристалликов, называется поликристаллическим (поли — много). Физические свойства у поликристаллического тела вследствие беспорядочного расположения кристалликов по всем направлениям одинаковы.

К числу поликристаллических тел относятся металлы. Можно иногда невооружённым глазом рассмотреть мелкие кристаллы в изломе сильно закалённой стали, чугуна, литой латуни. Кристаллическое строение некоторых других металлов можно обнаружить при помощи микроскопа. Но некоторые поликристаллические тела состоят из таких мелких кристалликов, которые нельзя увидеть даже при помощи микроскопа.

Рис. 158. При прикосновении нагретой иглой воск, покрывающий пластинку, расплавляется (а — пластинка кристаллическая, б — аморфная).

В отличие от кристаллических тел аморфные 1 тела обладают во всех направлениях одинаковыми физическими свойствами.

1 Аморфос (греч.) — не имеющий формы.

Рис. 159. Семейство кристаллов горного хрусталя.

Примерами аморфных веществ являются вар и стекло.

Кусок вара от удара молотком рассыпается на осколки, т. е. ведёт себя как хрупкое твёрдое тело, и вместе с тем обнаруживает свойства, присущие жидкостям. Твёрдые куски вара, например, медленно растекаются по горизонтальной поверхности; вар медленно вытекает из опрокинутой бочки. Куски вара, находясь в сосуде, постепенно растекаются, и вар принимает форму сосуда. Тяжёлое тело медленно утопает в варе, а лёгкие тела, помещённые под слой вара, с течением времени всплывают. По этим свойствам вар можно рассматривать как очень густую и вязкую жидкость.

Стекло обладает значительной прочностью и твёрдостью, т. е. свойствами, характерными для твёрдого тела, но по своей молекулярной структуре оно скорее может быть отнесено к жидкостям.

В настоящее время аморфные тела в виде различных пластмасс широко применяются в технике и в быту.

Бывают случаи, что одно и то же вещество может быть и в кристаллическом и в аморфном состоянии. Сахарный песок, например, имеет кристаллическую структуру. Тот же сахарный песок после расплавления застывает в прозрачный стекловидный леденец, являющийся уже аморфным веществом. С течением времени леденец «засахаривается» — покрывается корочкой кристаллического сахара.

Если расплавленную и нагретую немного выше 300° серу вылить в холодную воду, то получается мягкая аморфная сера, которая с течением времени переходит в кристаллическую. Обнаруживается с течением времени кристаллизация и в стекле, что можно заметить по образованию в некоторых местах стекла матовых пятен.

Из этих наблюдений можно сделать вывод, что аморфное состояние для твёрдого тела не является устойчивым. Во многих случаях аморфное тело постепенно переходит в кристаллическое.

Пространственные решётки

Исследования кристаллов при помощи рентгеновских лучей, начатые в 1912 г., доказали, что правильность форм кристаллов объясняется упорядоченным расположением атомов внутри кристалла.

Если соединить атомы кристалла прямыми линиями, то получится так называемая пространственная решётка. Отдельные атомы, составляющие кристаллы, находятся в узлах — точках пересечения линий, образующих решётку. Часто в узлах пространственной решётки находятся положительно или отрицательно заряженные атомы — ионы. На рисунке 160 изображена схема пространственной решётки поваренной соли. Каждый положительный ион Ка находится между отрицательными ионами Сl, и каждый отрицательный ион Сlнаходится между положительными ионами Na. Внутренние силы, заставляющие ионы Na и Сl держаться друг около друга, — это силы электрического притяжения.

Рис. 160. Пространственная решётка хлористого натрия.

Разнообразие встречающихся форм кристаллов объясняется различными формами пространственных решёток.

С перестройкой пространственной решётки изменяются и физические свойства вещества. Свойство вещества обладать несколькими кристаллическими состояниями называется полиморфизмом. Примером вещества, могущего быть в нескольких кристаллических состояниях, является углерод. При расположении атомов углерода, изображённом на рисунке 161а, мы имеем твёрдый алмаз. При расположении атомов цепочкой, образующей шестиугольник (рис. 161б), получается графит. Прочность графита значительно меньше, чем прочность алмаза. В графите один слой цепочек легко смещается относительно другого, чем объясняется применение графита как смазывающего материала.

Под влиянием внешних воздействий (давления, температуры) может происходить перестройка кристаллической структуры вещества. Например, мелкие кристаллы железа и стали могут переходить в крупные. Особенно быстро происходит этот процесс при сотрясениях, которым подвергаются железнодорожные рельсы, мосты и вагонные оси. Размеры же кристалликов существенно влияют на прочность вещества. Сталь, например, состоящая из мелких кристалликов, обладает большей прочностью, чем сталь, состоящая из крупных кристалликов.

Рис. 161а. Пространственная решётка алмаза.

Рис. 161б. Пространственная решётка графита.

Деформация твёрдых тел

Между молекулами или атомами твёрдого тела так же, как и между молекулами жидкости, кроме сил притяжения, могут действовать и отталкивательные силы. При сближении частиц увеличиваются силы отталкивания, и тем значительнее, чем сильнее мы сближаем их друг с другом. При растяжении тела получают перевес силы притяжения, действующие между частицами. Механическая модель, изображённая на рисунке 162, иллюстрирует характер взаимодействия частиц кристалла, расположенных в узлах кристаллической решётки и колеблющихся около положений равновесия.

Всякое внешнее, например механическое, воздействие на кристалл нарушает равновесное состояние кристаллической решётки. Оно создаёт внутри кристалла перемещение частиц, что приводит к изменению формы или объёма тела, т. е. к деформации.

Рассмотрим, от чего зависит величина деформации тела. Под величиной деформации надо понимать величину растяжения, сжатия, прогиба и т. д. Обратимся к опыту.

Установим тонкую деревянную линейку концами на две опоры. Линейка лежит горизонтально, она почти прямолинейна. Положим теперь на середину линейки какой-нибудь груз. Линейка прогнётся, и с увеличением нагрузки этот прогиб будет увеличиваться.

Подвешивая к резиновому жгутику различные грузы, мы обнаружим, что чем больше вес груза, тем сильнее растягивается жгутик.

Следовательно, величина деформации зависит от величины приложенной силы.

Проделав описанный выше опыт с более толстой линейкой, мы заметим, что при одинаковой нагрузке деформация будет меньше. Точно так же толстый резиновый жгутик под действием какого-нибудь груза растягивается меньше, чем тонкий жгутик.

Установим опять тонкую линейку на две опоры и будем класть на неё груз в различных местах; мы заметим, что величина деформации будет различна.

Если вместо деревянной линейки взять такого же размера линейку из другого материала и проделать с ней описанные выше опыты, то можно показать, что деформация зависит от материала, из которого изготовлено тело.

Рис. 162. Механическая модель взаимодействия частиц кристаллической решётки, расположенных в узлах пространственной решётки и колеблющихся около положений равновесия.

Таким образом, опыты показывают, что величина деформации зависит от размеров тела, места приложения силы, её направления и материала, из которого изготовлено тело.

Упругость и пластичность

Мы видели, что от материала, из которого изготовлено тело, существенно зависит величина его деформации.

К числу чрезвычайно важных свойств материала относятся упругость и пластичность. Что это за свойства материала и какую роль играют они в технике? Обратимся снова к опыту. Изогнём слегка деревянную линейку и отпустим её. Мы увидим, что она распрямится и примет прежнюю форму. Значит, под действием силы линейка деформировалась, а по прекращении действия силы деформация линейки исчезла полностью.

Деформации, исчезающие в теле после прекращения действия сил, называются упругими деформациями.

Свойство же материала, состоящее в том, что тела, изготовленные из него, под действием сил деформируются, а при исчезновении сил восстанавливают свою форму и объём, называется упругостью.

Повторим опыт с деревянной линейкой, но на этот раз согнём её сильнее; мы увидим, что линейка разогнётся, но окончательно не выпрямится. Деформация в ней полностью не исчезнет. Деформация, остающаяся в теле после прекращения действия сил, называется остаточной деформацией.

Остаточная деформация характеризует свойство материала, называемое пластичностью.

Упругость и пластичность присущи всем твёрдым телам.

Если нагружать стальную пружину, то можно обнаружить, что при слабых растяжениях она полностью восстанавливает размер и форму; если же её растянуть сильно, то в ней обнаруживаются остаточные деформации. Сильно сжатый резиновый цилиндр, например, не возвращается к прежним размерам и сохраняет бочкообразную форму.

С другой стороны, если линейку, сделанную из свинца, слегка согнуть и отпустить, то она выпрямляется. Слегка растянутая свинцовая спираль пружинит. В этих случаях свинец проявляет упругие свойства.

Поэтому разделение материалов на упругие и пластичные условно. Однако на практике такое разделение проводится.

Величина, измеряемая отношением нагрузки на брусок к площади его поперечного сечения, называется напряжением и выражается в или

Наименьшее напряжение, после снятия которого в образце появляются первые признаки остаточной (пластической) деформации, называется пределом упругости.

У тел одинаковой формы и размера, но изготовленных из различных материалов, предел упругости различный. Ниже в таблице показаны пределы упругости некоторых материалов.

Возникающая при деформации упругого тела сила называется силой упругости. Сила упругости противодействует внешней силе. Чем больше деформация тела, тем больше сила упругости. Сила упругости исчезает, как только исчезает возникшая в упругом теле деформация.

Виды деформаций

Упругие деформации, возникающие в телах, могут быть разнообразными.

Различают четыре основных вида деформаций: растяжение (или сжатие), сдвиг, кручение и изгиб.

Рассмотрим каждый из них в отдельности.

Растяжение

Приложим к прямому стержню АВ силы Р, равные по величине и направленные по оси стержня в противоположные стороны (рис. 163, а). Эти силы растянут стержень. Можно один конец стержня А закрепить неподвижно, а к другому концу В приложить силу (рис. 163, б), результат будет такой же, как и в первом случае.

Чем больше величина силы Р, приложенной к стержню, тем больше его растяжение.

Разграфим резиновую полоску на квадратики (рис. 164, а) и растянем её так, как показано на рисунке 161, б. Мы заметим, что одновременно с удлинением полоска сокращается в поперечных размерах. Этот опыт показывает, что при продольном растяжении увеличивается длина тела, но сокращаются поперечные размеры его.

Рис. 163. Под действием сил стержень растягивается.

Рис. 164. При растяжении квадратные ячейки, начерченные на резиновой полоске (а), превращаются в прямоугольники (б).

Рис. 165. Стержень под действием сил сжимается.

Растяжение испытывают тросы, канаты, цепи в подъёмных транспортных устройствах и мостах, стяжки между вагонами в поездах, балки строительных ферм и т. д.

Если на стержень AВ будут действовать силы, направленные навстречу друг другу (рис. 165), то он сожмётся. Длина его при этом уменьшится, а поперечные размеры увеличатся.

Нетрудно видеть, что деформация сжатия противоположна деформации растяжения.

Сжатие испытывают столбы, колонны, стены, фундаменты домов, стержни строительных ферм и др.

Сдвиг

Тело может подвергаться действию сил, стремящихся сместить одну часть его относительно другой так, как показано на рисунке 166; испытываемая телом деформация в этом случае называется сдвигом. Представление о такого рода деформации даёт сдвиг листов книги, если, положив книгу на стол, перемещать верхнюю часть её параллельно основанию, которое остаётся неподвижным. Все листы книги смещаются друг относительно друга.

Рис. 166. Деформация сдвига.

Если на брусок действуют силы, направленные навстречу друг другу и сдвигающие одну часть бруска относительно другой так, как показано на рисунке 167, то при достаточной величине этих сил мы наблюдаем срезание. Это явление наблюдается при резании ножницами.
Деформации сдвига подвергаются, например, болты и заклёпки, соединяющие отдельные металлические конструкции.

Кручение

Если на стержень, один конец которого закреплён, действует пара сил, лежащая в плоскости, перпендикулярной оси стержня, то получается деформация, которая называется кручением. При кручении отдельные слои тела остаются параллельными между собой, но повёрнутыми друг относительно друга (рис. 168). Деформация кручения возникает, например, при завинчивании гаек (рис. 169). Деформации кручения подвергаются валы машин, оси и др.

Рис. 168. При кручении слои тела поворачиваются друг относительно друга.

Рис. 169. Пример деформации кручения.

Изгиб

Брус, один конец которого закреплён, а на другой действует нагрузка, изгибается. Прямолинейная ось бруса превращается в криволинейную. Наибольший прогиб в направлении, перпендикулярном оси, называется стрелой прогиба. Прогибается брус и в случае, когда он подпёрт с обоих концов (рис. 170). Если вдоль бруса провести параллельные линии, то при изгибе бруса на вогнутой стороне его линии укорачиваются, а на выпуклой стороне удлиняются. Это наглядно показано на рисунке 171. Между крайними слоями находится слой, который изменил только свою форму, но длина его осталась без изменения. Этот слой называется нейтральным слоем. Вблизи от нейтрального слоя вещество почти не испытывает деформации растяжения или сжатия. Поэтому сплошные брусья, подвергающиеся изгибу, заменяют трубами, балки делают тавровыми (в виде буквы Т) или двутавровыми (рис. 172). На рисунке 172 справа показано сечение рельса.

Рис. 170. При изгибе вогнутая сторона бруса сжимается, выпуклая растягивается.

Двутавровая балка представляет собой в сущности широкую балку прямоугольного сечения, из которой удалена часть среднего слоя, которая, как мы видели, не подвергается деформации. Поэтому применение таких балок в строительном деле даёт большую экономию материала без ухудшения строительных качеств балок.

Рис. 171. Расположение спиц показывает, что одна сторона изгибаемого тела растянута, а другая сжата.

Рис. 172. Слева — сечение двутавровой балки, справа — сечение рельса.

Применяя вместо стержней трубы, не только экономят материал, но и облегчают вес многих установок и машин.

Кости животных имеют, как известно, трубчатое строение, что уменьшает их вес.

В большинстве случаев наблюдаемая на практике деформация представляет собой сочетание нескольких основных деформаций одновременно.

Можно показать, что любой вид деформации можно свести к двум наиболее простым: растяжению (или сжатию) и сдвигу. В случае деформации растяжения силы, действующие на тело, направлены перпендикулярно площади сечения тела, а в случае сдвига они действуют по касательной к этой площади.

Твёрдость

Под твёрдостью материала понимают его способность оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твёрдого тела.

Твёрдость приходится учитывать при использовании материала в различного рода сооружениях, а также при изготовлении режущих инструментов — свёрл, резцов, фрез и др.

Рис. 172а. К определению твёрдости.

Для определения твёрдости металлов существует несколько способов. Одним из наиболее распространённых является способ, заключающийся во вдавливании стального закалённого шарика в испытуемый металл.

Если вдавливать в испытуемый металл силой Р стальной закалённый шарик диаметром D, как показано на рисунке 172а, то шарик проникнет на некоторую глубину h в металл и оставит в нём отпечаток в виде круглой луночки диаметром d.

Величина, характеризующая твёрдость, обозначается через и вычисляется по формуле:

Ниже в таблице даны величины, характеризующие твёрдость некоторых металлов.

Твёрдость кристаллических тел в значительной степени зависит от состояния их поверхности. На поверхности кристаллов обычно имеются небольшие трещины, которые уменьшают твёрдость кристалла.

Исследованиями установлено, что при смачивании кристалла растворами некоторых веществ последние попадают в эти трещины, способствуют их росту и тем самым уменьшают твёрдость кристалла. Явление понижения твёрдости кристалла при его смачивании используется в бурении твёрдых пород.

Закон Гука

Ко всем видам деформаций, рассмотренным нами в § 102, может быть применён один общий закон, открытый английским учёным Гуком (1635—1703). Закон Гука формулируется следующим образом:

В пределах упругости величина деформации пропорциональна величине деформирующей силы.

Так, величина растяжения или сжатия стержня будет тем больше, чем больше растягивающая или сжимающая сила; величина прогиба балки будет пропорциональна нагрузке на балку, угол сдвига пропорционален величине действующей на тело силы и т. д.

Рассмотрим подробнее применение закона Гука к деформации растяжения.

На рисунке 172б изображена вертикально подвешенная проволока, свободный конец которой нагружается грузом Р.

Пусть — первоначальная длина проволоки, — длина её после деформации.

Величина называется абсолютным удлинением проволоки при растяжении. При данной нагрузке абсолютное удлинение зависит от первоначальной длины проволоки. Чем больше эта длина, тем больше и абсолютное удлинение. Следовательно, абсолютное удлинение не может служить мерой деформации вещества. Поэтому за меру деформации принимается удлинение, отнесённое к единице первоначальной длины проволоки, т. е.

величина Эта величина называется относительным удлинением.

Рис. 172б. К закону Гука.

Обозначим площадь поперечного сечения проволоки буквой S. Разделив нагрузку Р на площадь сечения проволоки S, мы получим величину напряжения, которую обозначим буквой

Итак, (1)

Закон Гука для деформации растяжения напишется так: относительное удлинение в пределах упругости пропорционально напряжению, т. е.

(2)

Величина называется коэффициентом линейного растяжения.

При т. е. коэффициент линейного растяжения численно равен относительному удлинению при напряжении., равном единице.

Подставим в формулу (2) вместо его выражение, взятое из равенства (1):

В технической литературе принято вести расчёты не по коэффициенту растяжения а по величине эту величину называют модулем упругости.

Какой физический смысл имеет эта величина? Рассмотрим конкретный пример.

Проволока длиной 5 м и сечением 2 мм 2 при нагрузке 40 кГ удлинилась на 5 мм. Определить коэффициент растяжения и модуль упругости проволоки.

По формуле находим:

Решая пример, мы определили, что длина проволоки сечением 1 мм 2 при нагрузке 1 кГ увеличивается на долю первоначальной длины. При нагрузке же длина проволоки увеличилась бы вдвое. Значит, модуль упругости обозначает напряжение, которое надо приложить к проволоке, чтобы удвоить её длину. Практически такая нагрузка совершенно невозможна, так как все материалы, кроме резины, разорвутся гораздо раньше, чем получат такое удлинение.

Значения модуля упругости некоторых материалов приведены в таблице.

Прочность. Запас прочности

Первое требование, предъявляемое ко всякому сооружению или изделию, — это прочность. Прочностью материала называется его свойство сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Напряжение, при котором материал, подвергнутый деформации, разрушается, называется пределом прочности.

Для некоторых материалов предел прочности указан ниже в таблице.

Вполне очевидно, что в различных сооружениях, во избежание поломок и разрушений, нельзя нагружать детали так, чтобы напряжение было равно или близко к пределу прочности. Практически допускаемое напряжение выбирают так, чтобы оно составило лишь некоторую часть от предела прочности.

Число, показывающее, во сколько раз предел прочности больше допускаемого напряжения, называется запасом прочности или коэффициентом безопасности.

Установлением запаса прочности для различного рода сооружений ведают особые государственные органы, решающие эту важную задачу, пользуясь как техническими, так и экономическими данными. Для стали, например, берут запас прочности в среднем от 2,5 до 4, для железа от 4 до 5, для чугуна от 6 до 8, для дерева от 8 до 10.

Величина запаса прочности выбирается в зависимости от рода сооружения и от характера испытываемой им нагрузки. При спокойных нагрузках запас прочности меньше, чем при переменных нагрузках; он особенно велик в сооружениях, испытывающих различного рода удары.

Значение свойств материалов для их обработки и применения

Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому детали машин, механизмов и многих сооружений обычно изготовляются из металлов.

Для изготовления режущих и других инструментов применяются специальные инструментальные стали. Измерительные инструменты, например, изготовляются из особых сортов стали, содержащих примеси хрома, никеля, молибдена, марганца. После закалки сталь такого состава обладает повышенной прочностью.

Рис. 173а. Схема штамповки.

Большое значение в машиностроении имеют упругие свойства материалов. При работе машины её детали подвергаются действию различных нагрузок и деформируются под их действием. Очевидно, что эти деформации не должны быть остаточными, иначе нарушилась бы работа машин: одни детали машины укоротились бы, другие, наоборот, удлинились, третьи изогнулись и т. д. В конце концов машина перестала бы работать.

Рис. 173б. Схема волочения.

Рис. 173в. Схема прокатки.

Пластические свойства металлов широко используются при их обработке давлением: при прокатке, волочении, штамповке, ковке и т. д.

Ковкой называется обработка металла давлением, в результате которой изменяется как внешняя форма, так и структура металла.

Существуют два вида ковки: свободная ковка и ковка в штампах.

Штамповка деталей обычно производится с помощью стальных штампов на прессах и молотах (механических или гидравлических). Лист металла, например, кладут между двумя половинками формы: штампом и матрицей (рис. 173а). Гидравлический или другой специальный пресс давит на штамп. Металлический лист изгибается и в результате остаточной деформации принимает необходимую форму.

Подвергать штамповке можно различные материалы: сталь, латунь, алюминий, пластмассу, картон и др. Штамповкой изготовляют посуду, части корпусов автомобилей и самолётов, детали для часовых механизмов и др.

Волочением называется такой вид обработки давлением, при котором обрабатываемый металл проволакивается (протягивается) через ряд постепенно уменьшающихся отверстий в металлических пластинах (волочильных досках). Отверстия (глазки) имеют форму конусов, сделанных в твёрдой стали.

Волочением изготовляются различные сорта проволоки, трубы малого диаметра, прутковый материал различного профиля с точными размерами и др.

На рисунке 173б изображена схема волочения: проволока протягивается через коническое отверстие в плите.

Прокатка производится для получения нужного профиля металла. Путём прокатки из слитков стали, а также из цветных металлов и сплавов получают листы, сортовые и фасонные профили и т. д.

Продукцией прокатки являются или готовые изделия (рельсы, балки и др.), или заготовки для последующей обработки ковкой, штамповкой, волочением или резанием.

Процесс прокатки заключается в том, что нагретый слиток или заготовка — болванка (рис. 173в) — пропускается между вращающимися валками прокатного стана. При этом происходит изменение формы заготовки, а также уменьшение поперечного сечения и увеличение её длины до заданного размера.

Металл, нагретый до высокой температуры, обычно обладает большой пластичностью. С понижением температуры металл становится менее пластичным и с трудом поддаётся деформации. В связи с этим стремятся прокатывать металлы и сплавы в горячем виде. Холодная прокатка применяется лишь для получения тонких изделий (металлические ленты, листы для пружин и др.).

Чрезвычайно ценным строительным материалом является дерево, обладающее малым удельным весом и высокой прочностью. Недостатком деревянных сооружений является их недолговечность, а во многих случаях громоздкость.

За последние годы разнообразные применения получили искусственные материалы — пластические массы (пластмассы). Для их изготовления применяют различные смолы. Так, например, небьющееся стекло — плексиглас — изготовляется из смолы, для производства которой используются ацетон, метиловый спирт и синильная кислота.

Изготовление изделий из пластмасс производится главным образом прессованием, применяют также литьё.

Прочность на разрыв у пластмасс порядка 300—600 на сжатие — в два-три раза больше.

Свойства твердых тел и их определение

Свойством тел, изготовленных из твёрдого вещества, является их деформация. Деформация — изменение формы или размера тела под воздействием другого тела. Эластичностью называют возможность тела после деформации возвращать себе первоначальную форму.

Важнейшим тепловым свойством твёрдого тела является температура плавления — температура, при которой происходит переход в жидкое состояние. Другой важной характеристикой плавления является скрытая теплота плавления. В отличие от кристаллов, в аморфных твёрдых телах переход к жидкому состоянию с повышением температуры происходит постепенно.

Характеристика твердого состояния вещества. Кристаллы

Напомним, что обычно вещество называют твердым, если оно сохраняет свою форму и свой объем. Однако это лишь внешние признаки, характеризующие твердое состояние вещества. С физической точки зрения наличие этих признаков не дает возможности четко разграничить твердое и жидкое состояния вещества. По этим признакам, например, аморфные вещества являются твердыми, хотя по внутреннему строению они являются жидкостями.

При изучении твердых веществ было обнаружено, что многие твердые тела в природе имеют гладкие плоские поверхности, расположенные под определенными углами, а иногда и форму правильных многогранников. Такие твердые тела называют монокристаллами (от греческого «моно» — один). Чаще всего монокристаллы имеют очень маленькие размеры, хотя, например, монокристаллы горного хрусталя иногда бывают величиной с человеческий рост.

Изучение внутреннего строения кристаллов с помощью рентгеновских лучей позволило установить, что частицы в кристаллах (молекулы, атомы и ионы) имеют правильное расположение, т. е. образуют кристаллическую (пространственную) решетку. Точки в кристаллической решетке, соответствующие наиболее устойчивому положению равновесия частиц твердого тела, называются узлами решетки.

Узлы решетки имеют правильное расположение, которое периодически повторяется внутри кристалла. Это означает, что если на какой-либо прямой расстояние между ближайшими узлами равно а (рис. 11.1), то на расстоянии от первого узла на этой прямой в кристаллической решетке будет находиться такой же узел. Расположение узлов в кристаллической решетке повторяется вдоль любой прямой (I—IV на рис. 11.1).

Правильное расположение частиц в узлах решетки кристалла называют дальним порядком в расположении частиц.

Итак, в физике под твердыми телами подразумевают только такие вещества, у которых имеется кристаллическое строение. Иначе говоря, у твердого тела обязательно должен быть дальний порядок в расположении его частиц.

Анизотропия кристаллов

Пространственная решетка и ее дефекты. Правильное расположение частиц в решетке кристаллов является причиной анизотропии*) кристаллов, которая заключается в зависимости каких-либо свойств кристаллов от направления.

*) Изотропный — одинаковый по всем направлениям; анизотропный — неодинаковый по разным направлениям.

У многих кристаллов очень ярко выражена зависимость механической прочности кристалла от-направления. Например, cлюда легко расщепляется на пластинки, каменная соль раскалывается на кубики и т. д. Особенно заметна эта зависимость у графита. В каждом слое кристалла графита атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников (рис. 11.2), а расстояние между соседними слоями в 2,5 раза больше, чем расстояние между ближайшими атомами углерода в каждом слое.

Поэтому слои в кристалле графита легко сдвигаются относительно друг друга. Соскальзыванием слоев графита мы пользуемся, когда пишем карандашом. Это же свойство графита позволяет применять его как смазочный материал (особенно часто он используется при высоких температурах). Отметим, что плоскости, по которым наиболее легко раскалывается кристаллическое вещество, называются плоскостями спайности.

Если на поверхность кристалла кварца нанести слой воска и коснуться концом сильно нагретой проволоки середины грани кристалла (рис. 11.3, а), то воск расплавляется по эллипсу. Значит, теплопроводность кристалла кварца зависит от направления. Опыты показывают зависимость от направления и многих других свойств кристаллов.

Отметим, что в кристаллах часто можно обнаружить и такие направления, по которым те или иные свойства оказываются одинаковыми. Срежем верхнюю половину кристалла, изображенного на рис. 11.3, а, и повторим предыдущий опыт, коснувшись проволочкой центра среза. При этом воск расплавляется по окружности (рис. 11.3, б).

Напомним еще раз, что анизотропией обладают только монокристаллы. Большинство твердых веществ имеет поликристаллическое строение (от греческого «поли» — много), т. е. состоит из множества очень мелких кристалликов, иногда различимых только в микроскоп. Поскольку эти кристаллики относительно друг друга расположены хаотически, твердое тело в целом является изотропным, т. е. имеет одинаковые свойства по всем направлениям, хотя каждый отдельный кристаллик обладает анизотропией. Аморфные тела тоже изотропны, так как у них нет пространственной решетки. Различие между поликристаллическими и аморфными телами в этом отношении заключается в том, что у поликристаллических тел всегда можно выделить достаточно малую часть тела, в которой обнаружится анизотропия, а аморфные вещества изотропны при любых размерах тела или его части.

Опыт показал, что идеального дальнего порядка в расположении частиц твердого вещества на практике никогда не получается. Любые отступления от идеального порядка в кристалле называют дефектами пространственной решетки.

Одним из важнейших дефектов решетки является нарушение правильного расположения частиц кристалла в каждый момент времени, обусловленное тепловым движением этих частиц. Действительно, поскольку частицы непрерывно колеблются, узлы определяют лишь среднее положение каждой частицы.

Еще одним важным дефектом является нарушение в строении самой решетки, называемое дислокацией (рис. 11.4). Часто встречается дефект, заключающийся в отсутствии частиц в отдельных узлах решетки (вакансия) или в смещении частиц в промежуток между узлами. Встречающимся видом дефекта кристаллической решетки являются и чужеродные атомы в отдельных узлах решетки (рис. 11.5) или между узлами.

Дефекты решетки в кристаллах сильно влияют на многие свойства твердых тел, например на прочность, пластичность, электропроводность и т. д.

Виды кристаллических структур

Различные типы кристаллов и возможное расположение узлов в пространственной решетке изучает кристаллография. В физике кристаллические структуры рассматривают не с точки зрения их геометрии, а по характеру сил, действующих между частицами кристалла, т. е. по типу связей между частицами. По характеру сил, которые действуют между частицами, находящимися в узлах решетки кристалла, различают четыре типичные кристаллические структуры- ионную, атомную, молекулярную и металлическую. Выясним, в чем заключается сущность различия между этими структурами.

Разноименно заряженные ионы в ионной решетке расположены ближе друг к другу, чем одноименно заряженные, поэтому силы притяжения между разноименными ионами преобладают над силами отталкивания одноименных ионов. Этим и обусловливается значительная прочность кристаллов с ионной решеткой.

При плавлении веществ с ионной кристаллической решеткой из узлов решетки в расплав переходят ионы, которые становятся подвижными носителями зарядов. Поэтому такие расплавы являются хорошими проводниками электрического тока. Это справедливо и для водных растворов кристаллических веществ с данной решеткой. Например, раствор поваренной соли в воде является хорошим проводником электрического тока.

Атомная кристаллическая структура характеризуется наличием нейтральных атомов в узлах решетки, между которыми имеется ковалентная связь. Ковалентной называется такая связь, при которой каждые два соседних атома удерживаются рядом силами притяжения, возникающими при взаимном обмене двумя валентными электронами между этими атомами.

Здесь надо иметь в виду следующее. Современный уровень физики позволяет рассчитать вероятность пребывания электрона в той или иной области пространства, занятого атомом. Эту область пространства можно изобразить в виде электронного облака, которое гуще там, где электрон чаще бывает, т. е. где больше вероятность пребывания электрона (рис. 11.7, а).

Электронные облака валентных электронов двух атомов, образующих молекулу с ковалентной связью, перекрываются. Это означает, что оба валентных электрона (по одному от каждого атома) обобществляются, т. е. принадлежат обоим атомам одновременно, и большую часть времени проводят между атомами, связывая их в молекулу (рис. 11.7, б). Примером такого рода молекул являются молекулы и т. п.

Ковалентная связь также» соединяет в молекулы и разные атомы: и т.д.

Очень многие твердые вещества имеют атомную кристаллическую структуру. На рис. 11.8 показана решетка алмаза и упаковка атомов в ней.

В этой решетке каждый атом образует ковалентные связи с четырьмя соседними атомами. Германий и кремний тоже имеют решетку типа алмаза. Ковалентная связь создает

весьма прочные кристаллы. Поэтому такие вещества обладают большой механической прочностью и плавятся лишь при высоких температурах.

Молекулярная кристаллическая структура отличается пространственной решеткой, в узлах которой находятся нейтральные молекулы вещества. Силами, удерживающими молекулы в узлах этой решетки, являются силы межмолекулярного взаимодействия. На рис. 11.9 показана кристаллическая решетка твердой двуокиси углерода («сухого льда»), в узлах которой находятся молекулы (сами-то молекулы образованы ковалентными связями).

Силы межмолекулярного взаимодействия сравнительно слабые, поэтому твердые вещества с молекулярной решеткой легко разрушаются при механическом воздействии и имеют низкую температуру плавления. Примерами веществ с молекулярной пространственной решеткой являются лед, нафталин, твердый азот и большинство органических соединений.

Металлическая кристаллическая структура (рис. 11.10) отличается наличием в узлах решетки положительно заряженных ионов металла.

У атомов всех металлов валентные электроны, т. е. наиболее удаленные от ядра атома, слабо связаны с атомами. Электронные облака таких периферийных электронов перекрывают сразу много атомов в кристаллической решетке металла. Это означает, что валентные электроны в кристаллической решетке металла не могут принадлежать одному и даже двум атомам, а обобществляются сразу многими атомами. Такие электроны практически могут беспрепятственно двигаться между атомами.

Таким образом, каждый атом в твердом металле теряет свои периферийные электроны, и атомы превращаются в положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся от них электроны движутся между ионами по всему объему кристалла и являются тем «цементом», который удерживает ионы в узлах решетки и придает большую прочность металлу.

В первом приближении хаотическое движение свободных электронов в металле можно считать подобным движению молекул идеального газа. Поэтому совокупность свободных электронов в металле иногда называют электронным газом и при расчетах применяют к нему формулы, выведенные для идеального газа. (Рассчитайте таким путем среднюю скорость теплового движения электронов в металле при 0°С.) Существованием электронного газа в металлах объясняются как высокая теплопроводность, так и высокая электропроводность всех металлов.

Виды деформаций

Изменение формы или объема тела под действием каких-либо причин называется деформацией. Выясним, какие виды деформаций встречаются на практике при механических воздействиях на твердые тела.

Если к торцам стержня приложить силы и , направленные вдоль его оси в противоположные стороны, то он будет или растягиваться, или сжиматься. Увеличение длины тела под действием сил, растягивающих его в одном направлении, называется деформацией продольного растяжения (рис. 11.11, а). Уменьшение длины тела под действием сил, сжимающих его в одном направлении, называется деформацией продольного сжатия (рис. 11.11,6).

Отметим, что при этих деформациях одновременно происходит небольшое изменение площади поперечного сечения тела.

Накачивая воздухом резиновую камеру, мы видим, что ее размеры увеличиваются по всем направлениям. Опустив надутую резиновую камеру в воду, можно заметить, что она сжимается по всем направлениям (рис. 11.12). Увеличение объема тела под действием сил, растягивающих его по всем направлениям, называется деформацией всестороннего растяжения.

Уменьшение объема тела под действием сил, сжимающих его по всем направлениям, называется деформацией всестороннего сжатия.

Если сжимать с двух концов стальную линейку, то она будет изгибаться (рис. 11.14). Изгиб стержня при продольном сжатии называется деформацией продольного изгиба.

Прикладывая к торцам стержня две пары сил, поворачивающих эти торцы в противоположные стороны (рис. 11.15), можно обнаружить скручивание стержня.

При этом происходит поворот верхних слоев стержня относительно нижних. Поворот параллельных слоев тел относительно друг друга под действием двух пар сил называется деформацией кручения.

Закрепим брусок и приложим к нему силу, стремящуюся его сдвинуть (рис. 11.16). В месте закрепления бруска возникает такая же по величине и обратная по направлению сила . Действие этих сил вызовет перекос бруска на некоторый угол . При этом верхние слои бруска сдвигаются относительно нижних. Сдвиг параллельных слоев тела относительно друг друга под действием сил, параллельных этим слоям, называется деформацией сдвига.

Каждая из описанных выше деформаций может быть большой или маленькой. Величину любой из них можно оценивать абсолютной деформацией . Абсолютной деформацией называется числовое изменение какого-либо размера тела под действием сил. Например, при одностороннем растяжении (сжатии) тела абсолютной деформацией является изменение длины тела (рис. 11.11), при всестороннем растяжении (сжатии) — изменение объема и т. д.

Однако более наглядной оценкой изменения объема или формы тела под действием приложенных сил является относительная деформация (греч. «эпсилон»). Относительной деформацией называется число, показывающее, какую часть от первоначального размера тела а составляет абсолютная деформация :

Например, при одностороннем растяжении (сжатии) получим

При сдвиге относительной деформацией служит (Почему?)

Механическое напряжение

Выделим мысленно в деформированном стержне, изображенном на рис. 11.11, а, тонкий слой, перпендикулярный оси стержня (рис. 11.17).

Он разделит стержень на две части. Поскольку все части стержня находятся в равновесии, верхняя часть действует на выделенный слой с силой равной (если пренебречь весом стержня), а нижняя часть — с силой , равной . Эти силы, возникающие внутри деформируемого тела, называют внутренними силами. Они вызывают деформацию каждого элемента тела (в нашем примере — растяжение).

Если стержень однородный и внешние силы и действуют по оси стержня, то внутренние силы и распределены по площади поперечного сечения равномерно.

Величина, характеризующая действие внутренних сил в деформированном твердом теле, называется механическим напряжением. Механическое напряжение измеряется внутренней силой, действующей на единицу площади сечения деформированного тела:

Если внутренняя сила распределена по сечению неравномерно, то в (11.4) вместо надо взять достаточно малую площадку , чтобы в ее пределах внутреннюю силу можно было считать постоянной.

Выведем единицу механического напряжения в СИ:

В СИ за единицу о принимается такое механическое напряжение в материале, при котором на площадь сечения в 1м 2 действует Внутренняя сила в 1 Н.

Если внутренняя сила действует перпендикулярно сечению, то напряжение называется нормальным (например, при деформации продольного растяжения или сжатия). Если же эта сила действует параллельно сечению, то напряжение называется касательным (при деформации сдвига, см. рис. 11.16). К этим двум видам всегда можно свести напряжение в любой точке деформируемого тела, поскольку силу, действующую на выбранную площадку , можно разложить на две составляющие — перпендикулярную и касательную к площадке.

Упругость, пластичность, хрупкость и твердость

При любом виде деформации в твердом теле происходит смещение частиц, из которых оно состоит, относительно друг друга. Это вызывает возникновение в материале сил, препятствующих деформации. Эти силы, называемые силами упругости, действуют как внутри деформированного тела, между его частями, так и на другие тела, вызвавшие его деформацию. Они стремятся восстановить прежнюю форму и объем деформированного тела. Свойство деформированных тел принимать свою первоначальную форму и свой объем после прекращения действия внешних сил называется упругостью. Деформация тела, которая исчезает после снятия внешних нагрузок на это тело, называется упругой деформацией.

Опыт показывает, что тело можно деформировать настолько, что оно не восстановит свою прежнюю форму, когда внешние воздействия на него исчезнут. Свойство тел сохранять деформацию после снятия внешних нагрузок называют пластичностью. Остаточная деформация тела, которая сохраняется после снятия внешних нагрузок на тело, называется пластической деформацией.

Упругость (пластичность) тел в основном определяется материалом, из которого они сделаны. Например, сталь и резина упруги, а медь и воск пластичны. Деление материалов на упругие и пластичные условно, так как каждый материал в большинстве случаев обладает одновременно и пластичностью, и упругостью. Например, стальную пружину можно растянуть так, что она уже не сожмется. С другой стороны, медная спираль при небольших растяжениях пружинит (т. е. сжимается, если ее отпустить). Опыт показывает, что обычно при постепенном увеличении нагрузок на материал в теле сначала возникают упругие деформации, а затем появляются пластические деформации.

Кроме того, свойства материала сильно зависят от внешних условий. Например, обычно пластичный свинец при низких температурах становится упругим, а упругая сталь при очень больших давлениях или высоких температурах становится пластичной.

Важными механическими свойствами материалов, которые приходится учитывать в машиностроении, являются хрупкость и твердость.

На практике встречаются материалы, которые при относительно небольших нагрузках упруго деформируются, а при увеличении внешней нагрузки разрушаются прежде, чем у них появится остаточная деформация. Такие материалы называются хрупкими (например, стекло, кирпич). Хрупкие материалы очень чувствительны к ударной нагрузке. При резком ударе хрупкие тела сравнительно легко разрушаются. Твердость материала можно определить различными способами. Обычно более твердым считают тот материал, который оставляет царапины на поверхности другого материала. Наиболее твердым материалом является алмаз. В технике твердость материала определяют вдавливанием в его поверхность алмазного конуса или стального шара (рис. 11.18).

Чем меньше войдет конус в материал при определенной силе вдавливания, тем тверже этот материал.

Твердость материала существенно влияет на величину трения качения, поэтому шариковые подшипники делают из твердой стали. При малой площади соприкосновения твердость материала имеет значение и для трения скольжения, например, опоры для осей в часах делают из твердых материалов — рубина и агата.

Закон Гука. Модуль упругости

Устройство динамометров — приборов для определения сил — основано на том, что упругая деформация прямо пропорциональна силе, вызывающей эту деформацию. Примером сказанного служит всем известный пружинный безмен.

Связь между упругими деформациями и внутренними силами в материале впервые была установлена английским ученым Р. Гуком. В настоящее время закон Гука формулируется следующим образом: механическое напряжение в упруго деформированном теле прямо пропорционально относительной деформации этого телах

Величина , характеризующая зависимость механического напряжения в материале от рода последнего и от внешних условий, называется модулем упругости. Модуль упругости измеряется механическим напряжением, которое должно возникнуть в материале при относительной упругой деформации, равной единице.

Отметим, что относительная упругая деформация обычно «выражается числом, много меньшим единицы. За редким исключением, получить е, равное единице, практически невозможно, так как материал задолго до этого разрушается. Однако модуль упругости k можно найти из опыта как отношение и при малом , так как в формуле (11.5) — величина постоянная.

Единицей модуля упругости в СИ является 1 Па. (Докажите это.)

Рассмотрим в качестве примера применение закона Гука к деформации одностороннего растяжения или сжатия. Формула (11.5) для этого случая принимает вид

где Е обозначает модуль упругости для этого вида деформации; его называют модулем Юнга. Модуль Юнга измеряется нормальным напряжением, которое должно возникнуть в материале при относительной деформации, равной единице, т. е. при увеличении длины образца вдвое . Числовое значение модуля Юнга определяют из опытов, проведенных в пределах упругой деформации, и при расчетах берут из таблиц.

Поскольку , из (11.6) получаем:, откуда

Таким образом, абсолютная деформация при продольном растяжении или сжатии прямо пропорциональна действующей на тело силе и длине тела, обратно пропорциональна площади поперечного сечения тела и зависит от рода вещества.

Наибольшее напряжение в материале, после исчезновения которого форма и объем тела восстанавливаются, называется пределом упругости. Формулы (11.5) и (11.7) справедливы, пока не перейден предел упругости. При достижении предела упругости в теле возникают пластические деформации. В этом случае может наступить момент, когда при одной и той же нагрузке деформация начнет возрастать и материал разрушается. Нагрузку, при которой в материале возникает наибольшее возможное механическое напряжение, называют разрушающей.

При постройке машин и сооружений всегда создают запас прочности. Запасом прочности называется величина, показывающая, во сколько раз фактическая максимальная нагрузка в самом напряженном месте конструкции меньше, чем разрушающая нагрузка.

Энергия упруго деформированного тела

Для того чтобы упруго деформировать тело, нужно совершить работу. За счет этой

работы деформированное тело приобретает потенциальную энергию П и само может совершить работу А. В пределах упругой деформации можно считать, что П=А.

Из выражения (11.7) следует, что сила F, растягивающая или сжимающая стержень (рис. 11.11), пропорциональна абсолютной деформации

где называют коэффициентом жесткости или жесткостью. График этой зависимости показан на рис. 11.19.

Из механики известно, что на графике зависимости силы от перемещения работа выражается площадью, ограниченной графиком и координатами точки. Следовательно, работа А, затраченная на растяжение или сжатие стержня на , численно будет равна площади треугольника АОВ на рис. 11.19, т. е.

так как при упругой деформации . Подставим F из (11.7а):

Таким образом, потенциальная энергия упруго деформированного тела прямо пропорциональна квадрату абсолютной деформации.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник