Қатты денелер туралы мәлімет

Ұзақ уақыт көрінген, ең қызығы Физика — зерттеу микромира және микрокосмоса. Сол жауаптарды табуға тырысты неғұрлым маңызды, іргелі мәселелері, түсіндіретін құрылғы қоршаған әлем. Ал қазір құрылды үшінші фронт зерттеулер — зерделеу, қатты тел.

Неге сонша маңызды зерттеу қатты дене?

Үлкен рөлі, әрине, ойнайды, мұнда практикалық адам қызметі. Қатты дене — металдар және диэлектриктер, немыслима электротехника, бұл — жартылай өткізгіштер негізінде жатқан қазіргі заманғы электроника, магниттер, сверхпроводники, конструкциялық материалдар. Бір сөзбен, сеніммен айтуға болады, ғылыми-техникалық прогресс айтарлықтай шамада пайдалануға негізделген қатты тел.

Бірақ ғана емес, практикалық жағы маңызды істі кезінде оларды зерделеу. Өзі ішкі даму логикасы, ғылым — қатты дене физикасы — әкелді түсінуге маңыздылығы ұжымдық қасиеттерін үлкен жүйелер.

Қатты дене тұрады миллиард бөлшектер, өзара іс-қимыл жасайды. Бұл негіздейді пайда болуы белгілі бір тәртібін жүйесінде және ерекше қасиеттерінің барлығы санын оқып үйрену. Осылайша, ұжымдық қасиеттері электрондардың анықтайды электр өткізгіштігі қатты денелер, ал қабілеті дененің жұту жылу — жылу сыйымдылық — сипатына байланысты ұжымдық тербеліс кезінде атомдар жылу қозғалысы. Ұжымдық қасиеттерін түсіндіреді барлық негізгі заңдылықтары мінез-құлық қатты тел.

Құрылымы қатты денелердің многообразна. Дегенмен, олар бөлуге болады екі үлкен сынып оқушысы: кристалдар және аморф денелер. Кристалдар — қатты дене атомдары немесе молекулалары олардың құрылымында белгілі, упорядоченные ережелер кеңістікте. Сондықтан кристалдар бар жазық қырлары. Мысалы, крупинка кәдімгі ас тұзының бар жазық қырлары құрайтын, бір-бірімен тікелей бұрыштары (сур. 1). Бұл, әрине, қарастыра отырып, тұз жиналғанын лупа көмегімен. Қатаң мерзімділік орналасқан атомдар әкеледі сақтау тәртібін үлкен қашықтықтарда (мұндай жағдайда деп бар алыс тәртіп). Ал геометриялық правильна нысаны қаршалар! Онда сондай-ақ, көрсетілген геометриялық дұрыстығын ішкі құрылысының кристалл қатты дененің — мұздың.

Алайда, дұрыс жүргізілген сыртқы нысаны емес, жалғыз мен емес, ең бастысы, тергеу ретімен құрылыстар кристалл. Ең бастысы — бұл тәуелділік физикалық қасиеттерін таңдап алған да, кристалда. Ең алдымен көзге түседі. әр түрлі механикалық беріктігі кристалдардың әр түрлі бағыттар бойынша. Мысалы, кесек слюда оңай расслаивается бір жолдама жұқа пластинкалар, бірақ сынған оның бағытына перпендикуляр пластинкам, әлдеқайда қиын. Сонымен қатар оңай расслаивается бір бағытта графит кристалл. Кезде сіз қарындашпен, мұндай жіктелуі жүреді, үздіксіз және жұқа қабаттарын графит қалады қағаз. Бұл графиттің кристалл торы бар слоистую құрылымы. Қабаттар құрылуы жанында параллель тор тұратын атомынан. Атомдар орналасады төрінде дұрыс шестиугольников. Арақашықтық қабаттары арасындағы салыстырмалы велико — шамамен екі есе көп жағының ұзындығы шестиугольника, сондықтан қабаттары арасындағы аз бірлік пен ынтымақтастықтың белгісі, осыған байланысты олардың ішіндегі. Көптеген кристалдар әртүрлі жүргізеді жылулық және электр тогын әр түрлі бағыттарда. Бағытына байланысты және оптикалық қасиеттері кристалдар. Осылайша, кристалл кварц әр түрлі преломляет жарық бағытына қарай құлайтын, оған көмектеседі.

Тәуелділігі физикалық қасиеттерінің бағытқа ішіндегі кристалл деп атайды анизотропией. Барлық кристалды дене анизотроптық.

Кристаллическую құрылымы бар металдар. Дәл металдар негізінен пайдаланылады қазіргі уақытта, дайындау үшін еңбек құралдарын түрлі машиналар мен механизмдер.

Сіз салыстырмалы үлкен металл бөлігі, онда бірінші көзқарас оның кристалды құрылымы жоқ көрінеді де, сыртқы түріндегі кесек де, оның жеке қасиеттері. Металдар әдеттегі жай-күйі емес, табу анизотропиясын.

Іс мындасыз бұл металл, әдетте, тұрады проиграна сросшихся бір-бірімен кристалликов. Микроскоппен немесе тіпті үлкейткіш көмегімен оларды қарастыру қиын емес, әсіресе жаңа піскен изломе металл. Қасиеттері әр кристаллика тәуелді бағыттары, бірақ кристаллики ориентированны бір-біріне қатысты ретсіз. Нәтижесінде көлемінде едәуір асатын көлемі жекелеген кристалликов барлық бағыттар ішіндегі металдарды равноправны және металдардың қасиеттері бірдей барлық бағыттар бойынша.

Қатты дене тұратын үлкен санының кішкентай кристалликов деп атайды монокристаллами.

Сақтай отырып, үлкен сақтық өсіруге болады металл кристалл үлкен мөлшерлерін — монокристалл. Әдеттегі жағдайда поликристаллическое денесі нәтижесінде қалыптасады деп басталған өсуі көптеген кристалдардың жалғасуда болғанша олар келеді жанасуына бір-бірімен құра отырып, біртұтас дене.

— Поликристаллам жатады ғана емес, металдар. Кесек қант, мысалы, сондай-ақ бар поликристаллическую құрылымы.

Көпшілігі кристалдық тел — поликристаллы, өйткені олар тұрады көптеген сросшихся кристалдар. Жеке кристалдар — монокристаллы бар дұрыс геометриялық пішінін және олардың қасиеттері әр түрлі әр түрлі бағыттар бойынша (анизотропия)

Барлық қатты дене — кристалдар. Көптеген аморфных тел. олар Немен ерекшеленеді кристалдарды?

У аморфных тел жоқ қатаң тәртіпті орналасқан атомдар. Тек таяу атомдар — көршілер орналасады, кейбір тәртібі. Бірақ қатаң направляемости барлық бағыттары бойынша бір және сол элемент құрылым тән кристалдардың аморфных денелер жоқ.

Жиі бір және сол зат болуы мүмкін қалай кристаллическом, сондай-ақ аморфном жай-күйі. Мысалы, кварц SiO 2 , болуы мүмкін кристалдық және аморфной (кремнезем). Кристаллическую нысанын кварц схемалық түрде көрсетуге болады торлар бірі дұрыс шестиугольников. Аморфная құрылымы кварц, сондай-ақ түрі бар торлар, бірақ дұрыс емес пішінді. Сонымен қатар, шестиугольниками онда кездеседі бес және семиугольники.

1959 ж. ағылшын физигі Д. Бернал өткізді қызықты тәжірибелер: ол алды көп кішкентай пластилиновых шарлар бірдей мөлшерін, обвалял оларды меловой пудре және спрессовал үлкен бөлме. Нәтижесінде түйіршіктер деформировались » многогранники. Бұл кезде образовывались көбінесе пятиугольные қырлары, ал многогранники орташа болған 13,3 қырлары. Сондықтан қандай да бір тәртіп аморфных заттар белгілі.

Қасиеттері Аморфных тел
Барлық аморф денелер изотропные, яғни олардың физикалық қасиеттері бірдей барлық бағыттар бойынша. — Аморфным телам жатады шыны, смола, канифоль, қант кәмпит және т. б.

Сыртқы әсерлер кезінде аморф денелер табу бір мезгілде серпімді қасиеттері, тәріздес қатты телам, және тұрақсыздығы, тәріздес сұйықтық. Осылайша, кезінде қысқа мерзімді әсер (соққылары) олар өздерін қалай қатты дененің қатты соққы раскалываются кесектерге. Бірақ өте ұзақ әсері аморф денелер текут. Проследим үшін кесек шайыр, жатыр, тегіс беті. Смола бірте-бірте ол бойынша растекается, және қарағанда жоғары температура шайыр тезірек жүреді.

Атомдары немесе молекулалары аморфных тел іспеттес, молекулам сұйықтық бар, белгілі бір уақытта «отырықшы» өмір — уақыт тербеліс шамамен ережелер тепе-теңдік. Бірақ айырмашылығы сұйықтықтарды бұл уақыт оларда мейлінше көп. Осылайша, үшін тауардың көлемі t = 20 o C «отырықшы» өмір 0,1 с. Осыған қатысты аморф денелер жақын кристаллическим, өйткені перескоки атомдардың бір тепе-теңдік жағдайын басқа орын сирек.

Аморф денелер төмен температураларда өздерінің қасиеттері бойынша ескертеді қатты дене. Ағынына олар дерлік ие емес, бірақ қарай арттыру температура бірте-бірте размягчаются және олардың қасиеттері мен жақындауда — қасиеттері сұйықтықтар. Бұл өсуімен температура бірте-бірте учащаются перескоки атомдар бір ережелері басқа. Белгілі бір температураға тел у аморфных тел қарағанда кристалдық жоқ.

Қатты дене физикасы . Адамзат әрқашан пайдаланды, және болады қатты дене. Бірақ егер бұрын қатты дене физикасы отставала дамуына технология негізделген тікелей тәжірибесі болса, енді ереже переменилось. Теориялық зерттеулер әкеледі құру қатты денелердің қасиеттері мүлдем ерекше. Бұндай дене сынамалар мен қателер мүмкін емес еді. Құру транзисторлар туралы айтылады бұдан әрі айқын мысалы ретінде түсіну құрылымы қатты денелердің әкелді революция бүкіл даму этаптары.

Материалдарын алуға берілген механикалық, магниттік, электрлік және басқа қасиеттері — негізгі бағыттарының бірі заманауи қатты дене физикасы.

Аморф денелер алады аралық ереже арасындағы кристалды қатты тұрғыдан зерттеледі және сұйықтықтармен. Олардың атомдары немесе молекулалары орналасады салыстырмалы тәртібі. Түсіну құрылымы қатты денелерді (кристалдық және аморфных) құруға мүмкіндік береді материалдар қасиеттері берілген.

Деформациясы қатты дене — өзгерту оның нысаны мен көлемі. Растяните резеңке бау үшін ұштары. Әлбетте, учаскелері баудың сместятся бір біріне қатысты бірін; бау шықса деформированным айналады ұзындау және жіңішке. Деформация туындайды әрқашан, әр түрлі дененің әсерінен күштер жылжиды неодинаково.

Бау әрекеті тоқтағаннан кейін оған күш қайтарылады бастапқы жағдайы. Деформация, олар толық жоғалады әрекеті тоқтағаннан кейін сыртқы күштер деп аталады қайратты . Басқа резеңке баудың, серпімді деформация бастан серіппе, болат шарлар соқтығысуы кезінде және т. б.

Енді squeeze тілімін алды. Сіздің қолыңызда, ол оңай кез келген нысанын қабылдайды. Бастапқы нысаны ермексаздан емес қалпына келіп өзі болып табылады. Пластилин «есінде» қандай еді, оған алдымен. Деформация, жоғалады әрекеті тоқтағаннан кейін сыртқы күштер деп аталады пластическими. Пластикалық деформацияға, шағын, бірақ қысқа мерзімді әсер бастан балауыз, клина, қорғасын.

Барлық деформациясы қатты денелердің жинақталады — созылуға қабілеттігі артады (сжатию) және сдвигу. Кезде серпімді деформация нысаны дене қалпына келтіріледі, ал пластикалық қалпына келтірілмейді.

Жылулық қозғалыс тудырады тербелістер атомдар (немесе иондар) тұратын қатты дене. Тербеліс амплитудасы, әдетте, аз салыстырғанда межатомными расстояниями, және атомдар емес, тастап, өз орны бар. Өйткені атомдар қатты теле-бірімен, олардың ауытқуы болып келісілді, сондықтан дене бойынша белгілі жылдамдықпен таралады толқын . Сипаттау үшін тербелістердің қатты денедегі төмен температураларда жиі пайдаланады ұсыну туралы квазичастицах — фононах .

Өзінің электрондық қасиеттері қатты дененің бөлінеді металдар , диэлектриктер және жартылай өткізгіштер . Сонымен қатар, төмен температурада мүмкін сверхпроводящее жай-күйі, онда кедергісі электрлік ток нөлге тең.

Қозғалысын оқып үйрену заңдарға бағынады кванттық механика. Байланысқан электрондар , мысалы, атоме , энергия қабылдай алады тек белгілі бір к в а н т о в а н н ы е з н а ч е н и я. Қатты теле осы энергия деңгейлері бірігеді аймағының бөлінген тыйым салынған облыстарымен энергия (сур. 5). Күші қағидаты Паули электрондары жоқ скапливаются төменгі деңгейінде, ал иеленуде деңгейлері әртүрлі энергиями. Нәтижесінде болуы мүмкін, бұл барлық деңгейлері энергия аймағы толығымен толтырылған. Мұндай қатты дене диэлектрик болып табылады. Мұндай қатты дене диэлектрик болып табылады . Өзгертуге энергиясын электрона тек бірден үлкен түпкілікті шамасын (ені тыйым салынған облысының, немесе, айтып, энергетикалық саңылау ). Сондықтан, электрондар да диэлектрике алмайды жеделдеуі электр өрісіндегі және өткізгіштігі кезінде нөлдік температура (жоқ кезде жылу қоздыруды) нөлге тең болады (кедергісі шексіз).

Металда, керісінше, жоғарғы толтырылған деңгейі энергиясын жатыр ішіндегі аймақтың электрондар энергиясы өзгеруі мүмкін дерлік үздіксіз және электр өрісі ток жасайды. Упорядоченное қозғалысы электрондардың бойымен өріс әсер етеді қарқынды хаотическое қозғалысы. Ең көп электрондар энергиясы анықталады, олардың концентрациясы . Типтік металдардағы бұл шамасы тәртібін электрон-вольт. Тиісті мұндай энергия температурасы-10 4 -! Сондықтан тіпті абсолюттік нөлдік бөлігі электрондар металда белсенді қозғалады және үлкен тиімді температурасы.

Заңнамада бұл сол диэлектрик, бірақ аз шама энергетикалық саңылау. Жылулық қозғалыс мүмкін «забрасывать» электрондары еркін аймаққа (ол деп аталады аймағы өткізгіштігінің айырмашылығы толтырылған валентной аймағы), онда олар жеделдетілуде электр өрісі (сур. 6). Сондықтан, жартылай өткізгіштер, әдетте шағын өткізгіштігі күрт зависящую температурасына. «Жартылай өткізгіштер, сондай-ақ ықпал енгізгенде арнайы қоспалар.

Жартылай өткізгіш кристалдар құруға мүмкіндік береді күрделі жартылай өткізгіш аспаптар , оның ішінде деп аталатын интегралды схемалар . Қазір қол жеткізілді мұндай интеграция дәрежесі, миллиондаған жекелеген элементтерін умещаются алаңында өлшемі 1 см 2 ! Мұндай құрылғы қалай болып табылады кристалл және жаңа техника саласы бекер емес деп атайды твердотельной электроникамен .

Үлкен мәні үшін қазіргі заманғы техника бар магниттік материалдар. Атомдар (немесе атомдар) тұратын магниттік денесі ие болуы мүмкін магнитті сәт . Егер арасындағы өзара іс-қимыл магниттік сәттері көп болса, онда олар сапқа тұрады белгілі бір жолмен және қатты дене ауысады ферромагнитное немесе антиферромагнитное жай-күйі.

Қатты денелердің механикалық қасиеттері
Диаграмма созылу . Шамасы, сипаттайтын күйі кернеулі дене деп аталады механикалық кернеуі. Кез-келген қимасында дененің кернеулі жұмыс істейді серпімділік күшінің кедергі келтіретін үзілуге бұл дене. Кернеуі немесе, дәлірек айтқанда, механикалық кернеу деп атайды қатынасы серпімділік күшінің модулінің F — көлденең қима ауданы S дене.

s =F/S

СИ бірлігіне кернеу қабылданады 1 Па= 1 Н/м 2 , және қысым.

Жағдайда сығу сырықтың кернеуі ұқсас қысым газдардағы және сұйықтардағы. Зерттеу үшін деформация созылу стержень көмегімен арнайы құрылғылар жатады созылуға қабілеттігі артады, содан кейін өлшейді ұзаруы үлгідегі туындайтын, онда кернеу. Нәтижелері бойынша тәжірибелер вычерчивают кестесі байланысты кернеу s салыстырмалы ұзарту e атауын алған диаграмма созылу.

Закон Гука . Тәжірибе кезінде шағын деформация кернеу s тікелей пропорцианально относительному ұзартуға e (учаскесі ШАҢЫРАҚ диаграммалар). Бұл тәуелділік, ол заңда Гука, жазылады, мысалы :

s = E | e | (1)

Салыстырмалы ұзаруы e формула (1) алынған модуль бойынша да заң Гука әділ үшін деформация созылу және деформация, қысу кезде, e < 0.

Коэффициенті пропорционалдық E, кіріс заңына Гука деп аталады серпімділік модулімен немесе Юнг модулімен. Модуль Юнга мынадай формула бойынша анықтайды (1), измеряя кернеу s мен салыстырмалы ұзаруы e жанындағы шағын деформация.

Көпшілігі үшін кеңінен таралған материалдардың Юнг модулі анықталған эксперименттік. Осылайша, үшін хромоникелевой болат E=2,1 Ч 10 11 Па, ал алюминий үшін E=7 Ч 10 10 Па. Көп Юнг модулі аз деформируется өзегі кезінде өзге де тең жағдайларда (бірдей F,S,l 0 ). Модуль Юнга сипаттайды бергіштігін материалдың серпімді деформация созылу немесе қысу.

Закон Гука жазылған формула (1), оңай әкелуі түрі, белгілі бірі — «физика» ІХ сынып оқушысы.

Шын мәнінде, подставив (1) формуласына s = F/S = e | D l|/l 0 , аламыз:

F/S=E Ч | D l|/0 l

Осыдан

F = SE/l 0 С | D, l|. (2)

Белгілейміз

SE/l 0 =k, содан кейін

F=k| D, l |. (3)

Осылайша, қаттылығы k өзектің тікелей пропорционалды шығармасы модулін Юнг арналған көлденең қимасының ауданы өзектің кері пропорционал және оның ұзындығы.

Шектері үйлесімді және серпімділік. Біз бұл закон Гука кезінде орындалады шағын деформация , ал, демек, кернеу, превосходящих біраз шек. Максималды кернеу s п (суретті қараңыз). 7), онда тағы да орындалады закон Гука деп атайды шегі пропорционалдық.

Егер жүктемені ұлғайту болса, онда деформация айналады бейсызық, кернеу болуын тоқтатқан тікелей пропорционалды относительному ұзартуға. Дегенмен, шағын сызықты емес деформация жүктемені алып тастағаннан кейін нысаны мен дене мөлшері іс жүзінде қалпына келтіріледі. Максималды кернеуі, ол кезде әлі пайда елеулі қалдық деформация (салыстырмалы қалдық деформациясы аспайтын 0,1%), деп атайды шегі серпімділік s уп . Шегі серпімділік шектен асып кетсе үйлесімділік тек жүздік үлес пайызы.

Беріктік шегі . Егер сыртқы жүктеме мынадай, кернеуі материалда шектен асып кетсе серпімділік, яғни жүктемені алып тастағаннан кейін үлгі, дегенмен сәл және укорачивается, бірақ қабылдайды бұрынғы мөлшерін, ал қалады деформированным.

Қарай арттыру жүктеме деформация жоғарылайды барлық тез және жылдам. Кезінде кейбір мағынада кернеу, тиісті диаграммада нүктесі C, ұзаруы өсуде іс жүзінде жоқ, жүктемені ұлғайту. Бұл құбылыс деп атайды ағынына материал (учаскесі CD). Қисығы диаграммасында жүріп пир бұл дерлік көлденең. Бұдан әрі ұлғайта отырып, деформацияның қисық кернеу бастайды сәл өседі, және жетеді максимум нүктесінде E . Содан кейін кернеу күрт ауыздықталады, мен үлгісі бұзылады (нүкте K). Осылайша, алшақтық жүреді, кейін кернеу жетеді максималды мәнін s өсб , деп беріктік шегі (үлгісі созылады көбейтпей, сыртқы жүктеме дейін бұзылуы). Бұл шама тәуелді материал үлгісінің сапасы және оны өңдеу.

Құрылыстар немесе конструкциялар сенімді, егер туындаған олардың пайдалану кезіндегі кернеуді бірнеше есе аз беріктік шегін.

Зерттеу созылу (сығылу) қатты дененің орнатуға мүмкіндік береді, коэффициенті неден тәуелді қаттылық заңда Гука. Диаграмма созылу, алынған эксперименттік береді жеткілікті толық туралы ақпаратты механикалық қасиеттері материалдың және бағалауға мүмкіндік береді, оның беріктігі.

Созылғыштығы және Хрупкость
Қаттылығы. Дене кез келген материалдан кезінде шағын деформация жүргізеді, серпімді. Оның мөлшері мен нысаны қалпына келтіріледі алу кезінде жүктеме. Сол уақытта барлық дененің белгілі бір шамада мүмкін бастан пластикалық деформация.

Материалдардың механикалық қасиеттері әр түрлі болып табылады. Мұндай материалдар, резеңке немесе болат табу серпімді қасиеттері салыстырмалы үлкен кернеу және деформация. Болат үшін, мысалы, закон Гука орындалады дейін e = 1%, ал резина — ден ондаған процентке дейін. Сондықтан мұндай материалдар деп атайды қайратты.

Созылғыштығы. Жанында дымқыл балшық, пластилин немесе қорғасын облысы серпімді деформация аз. Материалдар, олардың аздаған жүктеме тудырады пластикалық деформация деп атайды пластичными.

Бөлу материалдардың серпімді және иілімді және едәуір дәрежеде шартты. Байланысты туындайтын кернеудің бір материал болады өздерін немесе серпімді, немесе пластичный. Осылайша, кезінде өте үлкен кернеулер болат анықтаса, иілмелі майлайтын заттар қасиеттері. Бұл кеңінен қолданады қалыптау кезінде болат бұйымдарының көмегімен престің туғызатын үлкен жүктеме.

Суық болат немесе темір әрең ұйымына берілу соғу молотом. Бірақ кейін қатты қыздыру жеңіл беру арқылы соғатын кез келген нысанын. Қорғасын пластичный және бөлме температурасында, бірақ иеленеді айқын серпімді қасиеттері болса, оны тоңазытқышта төмен температураға дейін -100 C 0 .

Хрупкость. Маңызы зор іс жүзінде қасиеті бар қатты денелер деп аталатын хрупкостью. Материал осал деп атайды, егер ол бұзылады кезінде шағын деформация. Шыныдан жасалған бұйымдар және фарфордан сынғыш, өйткені олар бөлінеді кесектері құлап, еденге, тіпті кішкентай биіктіктен болады. Шойын, мәрмәр, янтарь, сондай-ақ ие жоғары хрупкостью, және, керісінше, болат, мыс, қорғасын болып табылады дамығандық.