Вікіпедія

Тверде тіло: відмінності між версіями

Інтерактивний перегляд історії
[перевірена версія][перевірена версія]
← Попереднє редагуванняНаступне редагування →
Вилучено вміст Додано вміст
ВізуальнийВікірозмітка
Немає опису редагування
Рядок 17:
Властивості твердих тіл визначаються їх хімічним складом і залежать від характеру міжатомних зв'язків, типу [[кристалічна структура|кристалічної структури]] та ступеня кристалічної досконалості, а також від фазового складу. Залежно від кількості складових компонентів, що входять в них, тверді тіла можна поділити на прості (однокомпонентні) і складні (багатокомпонентні), останні у свою чергу, можуть бути [[хімічна сполука|хімічною сполукою]] ([[неорганічні сполуки|неорганічною]] або [[органічні сполуки|органічною]]) або [[твердий розчин|твердими розчинами]] різного типу ([[тверді розчини заміщення|заміщення]], [[тверді розчини вкорінення|вкорінення]]).
 
За типом упорядкування атомів розрізняють [[кристал]]ічні і [[АморфнаАморфні речовинаречовини|аморфні]] тверді тіла. Кристали характеризуються наявністю просторової періодичності в розміщенні рівноважних положень коливань атомів, тобто наявністю [[ҐраткиКристалічна кристалуґратка|кристалічної ґратки]]. Атоми аморфних твердих тіл коливаються поблизу невпорядковано розміщених точок.
 
Типи [[Хімічний зв'язок|зв'язку]] між атомами у твердих тілах поділяють на п'ять класів:
* [[Іонний зв'язок]] (наприклад, [[Хлорид натрію|NaCl]]). Основними силами є сили електростатичного притягання.
* [[Ковалентний зв'язок]] (наприклад, С ([[алмаз]]), [[Германій|Ge]], [[Si]]). Атоми поділяють одну або більше спільних пар електронів, що спричиняють їх взаємне притягування.
* [[Металічний зв'язок]] (наприклад, [[Cu]], [[Al]]). Зв'язок між атомами реалізується за рахунок узагальнення їх валентних електронів.
Рядок 26:
* [[Водневий зв'язок]] (наприклад, Н<sub>2</sub>О ([[лід]]), H<sub>2</sub>F). Зв'язок, що реалізується за [[донорно-акцепторний зв'язок|донорно-акцепторним]] механізмом.
 
За домінуючими механічними властивостями в умовах деформування під навантаженням виділяють [[пружність|пружні]], [[пластичністьПластичність матеріалу|пластичні]], [[в'язкість|в'язкі]] та [[крихкість|крихкі]] тверді тіла.
 
За електричними властивостями тверді тіла розділяють на метали і неметали. [[Електрика|Електричні]], [[Магнетизм|магнітні]] і деякі інші властивості твердих тіл визначаються переважно характером руху [[Валентний електрон|валентних електронів]] його атомів. У зв'язку з цим тверді тіла поділяються за електричними властивостями на [[діелектрики]], [[Напівпровідник|напівпровідники]], [[метали]], [[сегнетоелектрики]];
 
За магнітними властивостями виділяють [[діамагнетики]] і [[парамагнетики]] та магнітовпорядковані тверді тіла (феро-, антиферо- і феромагнетики). Електричні, магнітні і деякі інші властивості твердих тіл визначаються переважно характером руху валентних електронів атомів.
 
== Історична довідка ==
Незважаючи на те, що тверді тіла ([[металметали]]и, мінерали) досліджувались давно, всебічне вивчення та систематизація інформації про їх властивості розпочалось з 17 століття. Починаючи з цього часу було відкрито низку емпіричних законів, що описували вплив на тверде тіло механічних сил, зміни температури, світла, електромагнітних полів і&nbsp;т.&nbsp;д. Були сформульовані:
* [[закон Гука]] (1678);
* [[закон Дюлонга — Пті]] (1819);
Рядок 39:
* [[закон Відемана — Франца]] (1853) та ін.
 
Уже у першій половині 19XIX ст. було сформульовано основні положення [[теорія пружності|теорії пружності]], для якої характерним є уява про тверде тіло як про [[суцільне середовище]].
 
Цілісне уявлення про кристалічну структуру твердих тіл, як сукупності атомів, впорядковане розміщення яких у просторі забезпечується силами взаємодії було сформоване [[Огюст Браве|Огюстом Браве]] у 1848 році, хоча перші ідеї такого роду висловлювались у трактатах [[Ніколас Стено|Ніколасом Стено]] (1669), [[Рене-Жюст Аюї|Рене-Жустом Аюї]] (1784), [[Ісаак Ньютон|Ісааком Ньютоном]] у роботі «[[Математичні начала натуральної філософії]]» (1686), у якій розрахована [[швидкість звуку]] у ланцюжку пружно пов'язаних часток, [[Даніель Бернуллі|Даніелем Бернуллі]] (1727), [[Оґюстен-Луї Коші|Оґюстеном-Луї Коші]] (1830) та іншими.
 
У 1912 році [[Макс фон Лауе|М. Лауе]] спостерігав [[дифракція|дифракцію]] [[Рентгенівське випромінювання|рентгенівських променів]] на кристалах, чим остаточно затвердив уявлення про кристалічну будову твердих тіл, як впорядковану дискретну структуру. У 1913 році [[Вільям Генрі Брегг| В. Брегг]] встановив співвідношення, що пов'язує період кристалічної ґратки, довжину хвилі рентгенівського випромінювання з напрямами дифракційних максимумів (див. [[Бреггівська дифракція|закон Брегга]]). На основі цього були розроблені методи експериментального визначення розташування атомів в кристалах й вимірювання міжатомних відстаней, що поклало початок [[Рентгеноструктурний аналіз|рентгеноструктурному аналізу]] та іншим дифракційним методам дослідження структури твердих тіл. У 1927 році [[Клінтон Джозеф Девіссон|К. Дж. Девіссон]] спостерігав дифракцію електронів на кристалі. Згодом була виявлена дифракція нейтронів та інших часток.
 
В подальшому фізика твердого тіла поділилась на низку областей, вирізняння яких відбувається шляхом виділення або об'єктів дослідження (фізика металів, фізика напівпровідників, фізика магнетиків тощо), або методів дослідження властивостей твердих тіл ([[механічні випробування|механічних]], теплових, [[Рентгеноструктурний аналіз|рентгеноструктурних]], [[магнітні методи|магнітних]] тощо).
Рядок 54:
 
== Фізичні властивості ==
Під [[фізичні властивості|фізичними властивостями]] твердих тіл розуміється їх специфічна поведінка при впливі певних [[сила|сил]] і [[фізичнеПоле поле(фізика)|полів]]. Існує три основних способи впливу на тверді тіла, відповідні трьом основним видам [[енергія|енергії]]: [[механіка|механічний]], [[термодинаміка|термічний (тепловий)]] і [[електромагнетизм|електромагнітний]]. Відповідно виділяють три основних групи фізичних властивостей.
 
[[Механічні властивості матеріалу|Механічні властивості]] зв'язують [[Напруження|механічні напруження]] і [[деформація|деформації]] тіла, які можна поділити на [[пружність|пружні]], [[міцність|міцнісні]], [[реологія|реологічні]] й [[технологічні властивості матеріалів|технологічні]]. Крім того, при впливі на тверді тіла рідин або газів виявляються їх [[гідравліка|гідравлічні]] і [[газодинаміка|газодинамічні]] властивості.
 
До термічних (теплових) належать властивості, які виявляються під впливом [[теплоТеплова енергія|теплових]]вих полів.
 
До електромагнітних властивостей умовно можна віднести [[радіаційна фізика|радіаційні]], що проявляються при впливі на тверде тіло потоків мікрочастинок або електромагнітних хвиль значної жорсткості ([[рентгенівське випромінювання|рентгенівських]], [[гамма-промені]]в тощо).
Рядок 64:
=== Механічні властивості ===
{{Main|Механічні властивості матеріалу}}
Загалом зберігаючи форму, за відсутності чи незначного силового впливу, тверді тіла здатні [[деформація|деформуватися]] під впливом [[зовнішніЗовнішня силисила|зовнішніх сил]]. [[Деформація|Деформацією]] твердого тіла називають зміну його розмірів і об'єму, що переважно супроводжується зміною форми тіла. В деяких випадках (всебічні стиснення або розтягування) форма тіла зберігається.
 
В залежності від величини прикладеної сили деформація може бути [[пружна деформація|пружною]], [[пластичністьПластичність матеріалу|пластичною]] або [[Механіка руйнування|руйнівною]]. При пружній деформації тіло повертає собі початкову форму і розміри після зняття прикладених сил. Відклик пружного твердого тіла на прикладене зусилля характеризується [[модуль пружності|модулями пружності]] на основі [[закон Гука|закону Гука]]. Відмінною рисою твердого тіла в порівнянні з рідинами та газами є те, що воно чинить опір не тільки [[розтяг]]у та стисканню, а також [[деформація зсуву|зсуву]], [[деформація згину|згину]] й [[деформація кручення|крученню]].
 
При пластичній деформації початкова форма тіла не зберігається. Характер деформації залежить також від часу, впродовж якого діє зовнішня сила. Тверде тіло може деформуватися пружно при короткочасній дії, але пластично, якщо зовнішні сили діють тривалий час. Така поведінка називається [[повзучістьПовзучість матеріалів|повзучістю]]. Однією з деформаційних характеристик тіла є його [[твердість]]&nbsp;— здатність опиратися проникненню в нього інших тіл.
 
Кожне тверде тіло має властивий йому поріг деформації, після якої наступає руйнування. Властивість твердого тіла опиратися руйнуванню характеризується [[міцність|міцністю]]. При руйнуванні в твердому тілі з'являються і розповсюджуються [[тріщина|тріщини]], які врешті-решт призводять до розлому.
Рядок 102:
Для характеристики теплоємності твердих тіл використовуються питома (масова), об'ємна й молярна [[теплоємність|теплоємності]]. У неметалічних твердих тілах найбільший внесок у теплоємність дає енергія теплових коливань часток, які перебувають у вузлах [[Кристалічна ґратка|кристалічних ґраток]]. Для металів, крім цього, слід враховувати теплоємність виродженого [[Модель вільних електронів|електронного газу]].
 
[[Теплоємність твердого тіла]] залежить від температури, особливо за низьких температур, однак в області кімнатних температур і вище, багато твердих тіл мають приблизно сталу теплоємність ([[Закон Дюлонга — Пті|закон Дюлонга-Пті]]). Перехід до сталої залежності теплоємності від температури відбувається при характерній для кожного матеріалу [[температура Дебая|температурі Дебая]].
{{Main|Теплоємність твердого тіла}}
 
Рядок 116:
{{Main|Теплопровідність}}
 
[[Температуропровідність]] (коефіцієнт температуропровідності)&nbsp;— [[фізична величина]], що характеризує швидкість зміни (вирівнювання) [[температура|температури]] речовини у нерівноважних теплових процесах. Чисельно дорівнює частці від ділення [[теплопровідність|коефіцієнта теплопровідності]] тіла на добуток його [[питома теплоємність|питомої теплоємності]] та [[густина|густини]]<ref>ДСТУ 2821-94 Промислове електронагрівання. Терміни та визначення.</ref>, в [[Міжнародна система СІодиниць (SI)|системі СІSI]] вимірюється в м²/с.
: <math>\chi = \frac{\kappa}{c_p \rho}\,</math>,
де <math>\chi</math>&nbsp;— температуропровідність, <math>\kappa</math>&nbsp;— [[теплопровідність|коефіцієнт теплопровідності]], <math>c_p</math>&nbsp;— [[ізобаричний процес|ізобарна]] [[питома теплоємність]], ''ρ''&nbsp;— [[густина]].
Рядок 126:
 
=== Електричні та магнітні властивості ===
В залежності від величини [[питомий опір|питомого опору]] тверді тіла поділяються на [[провідник]]и та [[діелектрикдіелектрики]]и, проміжне положення між якими займають [[напівпровідник]]и. Напівпровідники мають малу [[електропровідність]], однак для них характерне її зростання з температурою. Електричні властивості твердих тіл пов'язані з їхньою [[електронна структура|електронною структурою]]. Для діелектриків властива щілина в [[енергетичний спектр|енергетичному спектрі]] [[електрон]]ів, яку у випадку кристалічних твердих тіл називають [[заборонена зона|забороненою зоною]]. Це область значень енергії, яку електрони в твердому тілі не можуть мати. В діелектриків усі електронні стани, нижче від щілини заповнені, і завдяки [[принцип Паулі|принципу Паулі]] електрони не можуть переходити із одного стану в інший, чим зумовлена відсутність провідності. Провідність напівпровідників дуже сильно залежить від [[Легуюча домішка|домішок]]&nbsp;— [[акцептор електрона|акцепторів]] та [[донор електрона|донорів]].
 
Існує певний клас твердих тіл, для яких характерна іонна провідність. Ці матеріали називають [[суперіонікиСуперіонний провідник|суперіоніками]]. Здебільшого це [[іоннийЙонний кристал|іонні кристали]], в яких іони одного сорту можуть доволі вільно рухатися між непорушною ґраткою іонів іншого сорту.
 
При низьких температурах для деяких твердих тіл властива [[надпровідність]]&nbsp;— здатність проводити [[електричний струм]] без опору.
 
Існує клас твердих тіл, які можуть мати спонтанну [[електричнаВектор поляризаціяполяризації|поляризацію]]&nbsp;— [[піроелектрики]]. Якщо ця властивість характерна тільки для однієї з фаз, що існує в певному проміжку температур, то такі матеріали називаються [[сегнетоелектрики|сегнетоелектриками]]. Для [[п'єзоелектрики|п'єзоелектриків]] характерний сильний зв'язок між поляризацією і механічною деформацією.
 
[[Феромагнетики|Феромагнетикам]] властиве існування спонтанного [[магнітний момент|магнітного моменту]].
 
[[Оптика|Оптичні]] властивості твердих тіл дуже різноманітні. Метали здебільшого мають високий [[Коефіцієнт відбиття (оптика)|коефіцієнт відбиття]] світла у видимій області спектру, багато діелектриків прозорі, як, наприклад, [[скло]]. Часто [[колір]] того чи іншого твердого тіла зумовлений поглинанням світла домішками. Для напівпровідників та діелектриків характерна [[фотопровідність]]&nbsp;— збільшення електропровідності при освітленні.
 
== Ідеалізації твердого тіла у науках ==
Отримано з https://uk.wikipedia.org/wiki/Тверде_тіло