Надо Знать

добавить знаний



Твердое тело


Regular hexagonal pattern of Si and O atoms, with a Si atom at each corner and the O atoms at the centre of each side.

План:


Введение

Atoms of Si and O; each atom has the same number of bonds, but the overall arrangement of the atoms is random.
Regular hexagonal pattern of Si and O atoms, with a Si atom at each corner and the O atoms at the centre of each side.
Схематическое изображение атомной структуры неупорядоченного аморфного (слева) и упорядоченного кристаллического (справа) твердого тела.

Твердое тело - агрегатное состояние вещества, характеризуется стабильностью формы в отличие от других агрегатных состояний жидкости и газа. Атомы твердых тел большую часть времени проводят в окрестности определенных равновесных положений, осуществляя только незначительные тепловые колебания.

Твердые тела изучают: отдельная область физики - физика твердого тела, химии - химия твердого тела, материаловедение.


1. Классификация твердых тел

По типу упорядочения атомов различают кристаллические и аморфные твердые тела. Кристаллы характеризуются наличием пространственной периодичности в размещении равновесных положений колебаний атомов, т.е. наличием кристаллической решетки. Атомы аморфных твердых тел колеблются вблизи неупорядоченно расположенных точек.

По типу связи между атомами различают твердые тела с ковалентной, ионным, металлическим связями и т.д..

Электрические, магнитные и некоторые другие свойства твердых тел определяются главным образом характером движения валентных электронов его атомов. В связи с этим твердые тела разделяются по электрическим свойствам на диэлектрики, полупроводники, металлы, сегнетоэлектрики, за магнитными - на диамагнетиках, парамагнетиков, ферромагнетики, антиферромагнетики.


2. Историческая справка

Несмотря на то, что твердые тела ( металлы, минералы) исследовались давно, всестороннее изучение и систематизация информации об их свойствах началось с 17 века. Начиная с этого времени был открыт ряд эмпирических законов, которые описывали влияние на твердое тело механических сил, изменения температуры, света, электромагнитных полей и т.д. Были сформулированы:

Уже в первой половине 19 в. были сформулированы основные положения теории упругости, для которой характерно представление о твердое тело как о сплошную среду.

Целостное представление о кристаллическую структуру твердых тел, как совокупности атомов, упорядоченное размещение которых в пространстве обеспечивается силами взаимодействия было сформировано Огюстом Браве в 1848 году, хотя первые идеи такого рода высказывались в трактатах Николасом Стено ( англ. Nicolas Steno , дан. Niels Stensen ) (1669), Рене-Жуст Аюи (Гаюи) ( фр. Ren? Just Ha?y ) (1784), Исааком Ньютоном в работе "Математические начала натуральной философии" (1686), в которой рассчитана скорость звука в цепочке упруго связанных частиц, Даниэлем Бернулли (1727), Огюстеном-Луи Коши (1830) и др..


3. Фазовые переходы

При повышении температуры твердые тела переходят в жидкий или газообразное состояние. Переход твердого тела в жидкость называется плавлением, а переход в газообразное состояние, минуя жидкое, - сублимацией. Переход к твердого тела (при понижении температуры) - кристаллизация, к аморфной фазы - стеклования.

Существуют также фазовые переходы между твердотельными фазами, при которых изменяется внутренняя структура твердых тел, становясь упорядоченный при понижении температуры.


4. Физические свойства

Под физическими свойствами твердых тел понимается их специфическое поведение при воздействии определенных сил и полей. Существует три основных способа воздействия на твердые тела, соответствующие трем основным видам энергии : механический, термический и электромагнитный. Соответственно выделяют три основные группы физических свойств.

Механические свойства связывают механические напряжения и деформации тела, согласно результатам широких исследований механических и реологических свойств твердых тел, выполненных школой академика П. А. Ребиндера, можно разделить на упругие, прочностные, реологические и технологические. Кроме того, при воздействии на твердые тела жидкостей или газов оказываются их гидравлические и газодинамические свойства.

К термическим относят свойства, которые оказываются под воздействием тепловых полей. В электромагнитных свойств условно можно отнести радиационные, проявляющиеся при воздействии на твердое тело потоков микрочастиц или электромагнитных волн значительной жесткости ( рентгеновских, гамма-лучи).


4.1. Механические свойства

Всего сохраняя форму, твердые тела деформируются под воздействием внешних сил. В зависимости от величины приложенной силы деформация может быть упругой, пластической или разрушительной. При упругой деформации тело возвращает себе первоначальную форму после снятия приложенных сил. Отзыв твердого тела на прилагаемое усилие описывается модулями упругости. Отличительной особенностью твердого тела по сравнению с жидкостями и газами является то, что оно сопротивляется не только растяжении и сжатию, а также смещения, сгиба и кручению.

При пластической деформации начальная форма не сохраняется. Характер деформации зависит также от времени, в течение которого действует внешняя сила. Твердое тело может деформироваться упруго при коротокочасний действия, но пластически, если внешние силы действуют длительное время. Такое поведение называется ползучестью. Одной из характеристик деформации является твердость тела - способность сопротивляться проникновению в него других тел.

Каждое твердое тело имеет присущий ему порог деформации, после которой наступает разрушение. Свойство твердого тела сопротивляться разрушению характеризуется прочностью. При разрушении в твердом теле появляются и распространяются трещины, которые в конце концов приводят к разлому.

К механическим свойствам твердого тела принадлежит также его способность проводить звук, который является волной, которая переносит локальную деформацию с одного места в другое. В отличие от жидкостей и газов в твердом теле могут распространяться не только продольные звуковые волны, но и поперечные, что связано с сопротивлением твердого тела деформации сдвига. Скорость звука в твердых телах целом выше, чем в газах, в частности в воздухе, поскольку межатомное взаимодействие гораздо сильнее. Скорость звука в кристаллических твердых телах характеризуется анизотропией, т.е. зависимости от направления распространения.


4.2. Тепловые свойства

Важнейшей тепловой свойством твердого 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 твердых тел переход до жидкого состояния с повышением температуры происходит постепенно. Его характеризуют температурой стеклования - температурой, выше которой материал почти полностью теряет упругость и становится очень пластичным.

Изменение температуры вызывает деформацию твердого тела, в основном повышение температуры приводит к расширению. Количественно она характеризуется коэффициентом теплового расширения. Теплоемкость твердого тела зависит от температуры, особенно при низких температурах, однако в области комнатных температур и выше, количество твердых тела имеют примерно постоянную теплоемкость ( закон Дюлонга-Пти). Переход к устойчивой зависимости теплоемкости от температуры происходит при характерной для каждого материала температуре Дебая. От температуры зависят также другие характеристики твердотельных материалов, в частности механические: пластичность, текучесть, прочность, твердость.


4.3. Электрические и магнитные свойства

В зависимости от величины удельного сопротивления твердые тела разделяются на проводники и диэлектрики, промежуточное положение между которыми занимают полупроводники. Полупроводники имеют малую электропроводность, однако для них характерно ее рост с температурой. Электрические свойства твердых тел связаны с их электронной структурой. Для диэлектриков свойственна щель в энергетическом спектре электронов, которую в случае кристаллических твердых тел называют запрещенной зоной. Это область значений энергии, электроны в твердом теле не могут иметь. В диэлектриков все электронные состояния, ниже щели заполнены, и благодаря принципа Паули электроны не могут переходить из одного состояния в другое, чем обусловлена ​​отсутствие проводимости. Проводимость полупроводников очень сильно зависит от примесей - акцепторов и доноров.

Существует определенный класс твердых тел, для которых характерна ионная проводимость. Эти материалы называют суперионикамы. В основном это ионные кристаллы, в которых ионы одного сорта могут достаточно свободно двигаться между незыблемой решеткой ионов другого сорта.

При низких температурах для некоторых твердых тел свойственна сверхпроводимость - способность проводить электрический ток без сопротивления.

Существует класс твердых тел, которые могут иметь спонтанную поляризацию - пироэлектрики. Если это свойство характерно только для одной из фаз, что существует в определенном промежутке температур, то такие материалы называются сегнетоэлектриков. Для пьезоэлектриков характерен сильная связь между поляризацией и механической деформацией.

Ферромагнетика свойственно существования спонтанного магнитного момента.

Оптические свойства твердых тел очень разнообразны. Металлы основном имеют высокий коэффициент отражения света в видимой области спектра, много диэлектриков прозрачные, как, например, стекло. Часто цвет того или другого твердого тела обусловлен погинанням света примесями. Для полупроводников и диэлектриков характерна фотопроводимость - увеличение электропроводности при освещении.


5. Идеализации твердого тела в науках

Твердые тела, встречающиеся в природе, характеризуются бесконечным множеством разнообразных свойств, которая постоянно пополняется.

В зависимости от поставленных перед определенной наукой задач важны лишь отдельные свойства твердого тела, другие - несущественные. Например, при исследовании прочности стали ее магнитные свойства практически роли не играют.

Для простоты изучения реальное тело заменяют идеальным, выделяя лишь важнейшие свойства для рассматриваемом случае. Такой подход, практикуемый многими науками, называется абстрагированием. После выделения идеализированного тела с определенным перечнем существенных свойств, строится теория. Достоверность такой теории зависит от того насколько удачно принята идеализация отражает существенные характеристики объекта. Оценку этому можно дать при сравнении результатов исследований, полученных теоретически на основе идеализированной модели и экспериментально.


5.1. В теоретической механике

В теоретической механике идеализированной схеме реального твердого тела является абсолютно твердое тело, то есть такое, в котором при любых обстоятельствах расстояния между любыми точками являются постоянными - не изменяются ни размеры, ни форма тела.

5.2. В теории упругости

В теории упругости и ее прикладном применению сопромату также рассматриваются модели, которые учитывают и абсолютизируют отдельные свойства твердого тела. К этим свойствам относятся: деформируемость, однородность, целостность, изотропность. Принятие условий однородности и сплошности при малых деформациях позволяет применить методы анализа бесконечно малых величин, что существенно упрощает построение теории сопротивления материалов.

Считается также, что зависимость между напряжениями и деформациями описываются является линейной (см. Закон Гука).


5.3. В теории пластичности

В теории пластичности модели твердого тела основаны на идеализации свойства деформационного упрочнения или свойства текучести твердых тел в напряженно-деформированном состоянии.

5.4. В математике

В математике ( геометрии) объектом рассмотрения является мнимое твердое тело, в котором сохраняются лишь форма и размеры при полном абстрагировании от всех других свойств. В отличие от реальных предметов геометрические тела, как и всякие геометрические фигуры, является мнимыми объектами.

См.. также

Литература

  • И. П. Пинкевич, В. И. Сугаков Теория твердого тела. - М.: Издательско-полиграфический центр "Киевский университет", 2006.
  • А. С. Давыдов Теория твердого тела. - Москва: Наука, 1976.

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам