твердое тело в физике что такое
Твёрдое тело
Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела. Раздел физики, изучающий состав и внутреннюю структуру твёрдых тел, называется физикой твёрдого тела. То, как твёрдое тело меняет форму при воздействиях и движении, изучается отдельной дисциплиной — механикой твёрдого (деформируемого) тела. Движением абсолютно твёрдого тела занимается третья наука — кинематика твёрдого тела.
Технические приспособления, созданные человеком, используют различные свойства твёрдого тела. В прошлом твёрдое тело применялось как конструкционный материал и в основе употребления лежали непосредственно ощутимые механические свойства как то твёрдость, масса, пластичность, упругость, хрупкость. В современном мире применение твёрдого тела основывается также на физических свойствах, которые зачастую обнаруживаются только при лабораторных исследованиях.
Связанные понятия
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Кристалл — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Решёткой является совокупность точек, которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции. Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково. Применение к решётке в целом любой из присущих ей трансляций приводит.
5⋅103 Вт·м−1·К−1 соответственно). Высокая подвижность носителей.
Твёрдое тело
Содержание
Описание
Материаловедение главным образом рассматривает вопросы, связанные со свойствами твёрдых тел, такими как твёрдость, предел прочности, сопротивление материала нагрузкам, а также фазовые превращения. Это значительным образом совпадает с вопросами, изучаемыми физикой твёрдого тела. Химия твёрдого состояния перекрывает вопросы, рассматриваемые обоими этими разделами знаний, но особенно затрагивает вопросы синтезирования новых материалов.
Исследования свойств твердых тел объединились в большую область — физику твердого тела, развитие которой стимулируется потребностями техники. В свою очередь, физика твердого тела разделилась на ряд областей, обособление которых происходит путем выделения либо объекта исследования (физика металлов, физика полупроводников, физика магнетиков и др.), либо метода исследования (рентгеновский структурный анализ, радиоспектроскопия и т. п.), либо определенных свойств (механических, тепловых и т. д.).
Легчайшим известным твёрдым материалом является аэрогель. Некоторые виды аэрогеля имеют плотность 1.9 мг/см³ или 1.9 кг/м³ (1/530 плотности воды).
Классификация твёрдых тел
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 сплошной среде.
Целостное представление о кристаллической структуре 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. René Just Haüy) (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.
Фазовые переходы
При повышении температуры твердые тела переходят в жидкое или газообразное состояние. Переход твердого тела в жидкость называется плавлением, а переход в газообразное состояние, минуя жидкое, — сублимацией. Переход к твердому телу (при понижении температуры) — кристаллизация, к аморфной фазе — стеклование.
Существуют также фазовые переходы между твердотельными фазами, при которых изменяется внутренняя структура твердых тел, становясь упорядоченной при понижении температуры.
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 электромагнитные свойства условно можно отнести радиационные, проявляющиеся при воздействии на твердое тело потоков микрочастиц или электромагнитных волн значительной жесткости (рентгеновских, гамма-лучи).
Механические свойства
В покое твёрдые тела сохраняю форму, но 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 сдвигу, изгибу 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 мгновенном действии, 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, переносящий 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 в целом выше, чем в газах, в частности в воздухе, поскольку межатомное взаимодействие гораздо сильнее. Скорость звука в кристаллических твердых телах характеризуется анизотропией, то есть зависимости от направления распространения.
Тепловые свойства
Важнейшим тепловым 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, множество твердых тел 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.
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, которую электроны в твердом теле не могут иметь. В диэлектриках все электронные состояния, ниже щели заполнены, и благодаря принципу Паули электроны не могут переходить из одного состояния в другое, чем обусловлено 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 супериониками. 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 сегнетоэлектриками. Для пьезоэлектриков характерена сильная связь между поляризацией и механической деформацией.
Оптические свойства твердых тел очень разнообразны. Металлы в основном имеют высокий коэффициент отражения света в видимой области спектра, много диэлектриков прозрачные, как, например, стекло. Часто цвет того или другого твердого тела обусловлен поглощающими свет примесями. Для полупроводников и диэлектриков характерна фотопроводимость — увеличение электропроводности при освещении.
Идеализации твердого тела в науках
Твердые тела, встречающиеся в природе, характеризуются бесконечным множеством разнообразных свойств, которая постоянно пополняются. В зависимости от поставленных перед определенной наукой задач важны лишь отдельные свойства твердого тела, другие — несущественные. Например, при исследовании прочности стали её магнитные свойства практически роли не играют.
Для простоты изучения реальное тело заменяют идеальным, выделяя лишь важнейшие свойства для рассматриваемого случая. 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 принятая идеализация отражает существенные характеристики объекта. Оценку этому можно дать при сравнении результатов исследований, полученных теоретически на основе идеализированной модели и экспериментально.
В теоретической механике
В теоретической механике идеализированной схемой 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.
В теории упругости
В теории упругости и её прикладном применению сопромату также рассматриваются модели, которые учитывают и абсолютизируют отдельные свойства твердого тела. К этим свойствам 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 является линейной (см. Закон Гука).
В теории пластичности
В теории пластичности модели твердого тела основаны на идеализации свойств деформационного упрочнения или свойств текучести твердых тел в напряженно-деформированном состоянии.
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.
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.
Физика твёрдого тела
Это направление физики получило свой стремительный подъем с открытием квантовой механики, и особенно, после бурного прогресса в производстве полупроводниковой техники. Для него потребовалась разработка новых материалов, а значит более глубокое изучение микроструктуры веществ и их, как физических, так и химических свойств.
Физика твёрдого тела стала той опорой, теми тремя китами, на которых держатся все современные прогрессивные технологии. Ни одна сфера нашей сегодняшней жизни, от производства металла, бытовой техники, транспорта, до мобильных телефонов и компьютерного оборудования, не обходится без использования новейших открытий в физике твёрдого тела.
Физика по сути, это экспериментальная наука, и для проведения фундаментальных экспериментальных исследований также требуется высокоточное оборудование с применением новейших технологий, в том числе и разработок в физике твёрдых тел.
Многомиллионная армия научных сотрудников, инженеров и лаборантов трудится над практическим применением экспериментальных результатов по твердому сырью для разработки, совершенствования и производства новейших технических приспособлений, механизмов машин, станков, инструментов, электронных и механических устройств и аппаратов, которые так нужны в различных сферах нашей жизнедеятельности.
Исследовательские разработки в разных сферах физики твёрдого тела, прежде всего ведутся по таким основным сырьевым компонентам, как металлы и сплавы, диэлектрики, полупроводники и магнетики. Большинство из них имеют кристаллическую структуру. Их атомы и молекулы образуют трехмерно-периодическую пространственную укладку, именуемую кристаллической решёткой.
Отступления от идеальной формы кристаллической решётки бывают обусловлены возникновением вакансий в узлах решётки, заполнением этих узлов чужеродными атомами, возникновением междоузельных атомов или молекул, а также различного рода дислокациями. В основном подобные отступления от строгой периодичности структуры приоритетны при окончательном формировании итоговых физических свойств реальных кристаллических тел.
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
Свойства и структура твёрдых тел
Специфическое поведение твёрдых тел при воздействии на них различных видов энергий и называют их физическими свойствами. Из основных способов воздействия на тело можно выделить механический, термический, электрический, магнитный и световой. Согласно такому воздействию и квалифицируются физические свойства:
Выше перечисленные свойства изучаются в условиях воздействия механических сил, повышенных и низких температур, электрических и магнитных полей различной мощности, рентгеновского и разного рода светового излучения, направленных пучков нейтронов или электронов.
Химические характеристики твердых материалов приобретают большую значимость при исследовании поверхностных эффектов и процессов. Любое твёрдое тело, как и любое вещество, состоит из атомов и молекул. Твёрдые тела имеют упорядоченную структуру их расположения. Такая конфигурация имеет более низкий уровень энергии, поэтому более устойчива, чем при хаотическом размещении атомов и молекул.
Но уже как раз наличие атомов в кристаллической решётке обуславливает присутствие внутренних сил притяжения и отталкивания. И именно они, как связывают частицы в одно целое, так и обеспечивают наличие промежутков между ними. Следствием подобного взаимодействия получается, наступающая через некоторое время, потеря атомами индивидуальных, только им присущих, свойств и приобретение ними абсолютно новых, уже коллективных, характеристик определенной группы молекул.
В структуру атома входят положительно заряженное ядро и электроны, имеющие отрицательный заряд. Масса электронов намного меньше массы ядра, примерно несколько сотых процента от его массы. Функционирование кулоновских сил между заряженными субъектами взаимодействия осуществляет формирование притягивающих сил между ядром и электронами и систематически взаимно отталкивающих сил между движущимися электронами.
В то же время атомы и молекулы твёрдого тела в сущности сохраняют свое взаимное положение по отношению к другим атомам и молекулам. Говоря по-другому, плотно упакованы вместе и совершают небольшие колебания в районе положений равновесия.
Поэтому такие твёрдые объекты рассматриваются, как предметы, состоящие из групп взаимно отталкивающихся и в то же время притягивающихся частиц. Их физические свойства и особенности изучает не только физика твёрдого тела, как самостоятельная единица физики, но и такие разделы, как например, статика и кинетика, квантовая физика и другие её подразделения.
Симметрия и классификация твёрдых тел
Классификация кристаллов и их решеток проводится на основе понятия симметрии. Кристаллическая решётка способна обладать различными видами симметрии. Под этим утверждением подразумевается свойство решётки совпадать сама с собой при некоторых пространственных перемещениях, например, поворотах, отражениях и других действиях. Такие преобразования называются операциями симметрии.
В них могут встречаться такие элементы симметрии: поворотные, инверсионные, зеркально-поворотные оси, плоскости зеркального отражения и другие. Кристаллография, по мнению большинства ученых, довольно абстрактная область науки, но симметрия играет весомую роль в практическом объяснении и описании физических особенностей твёрдых тел.
Кристаллическая решётка
Все особенности свойств и характеристик твёрдых тел объясняются наличием кристаллической структуры на микроскопическом уровне, характеризующейся закономерной периодичностью распределения частиц, состоящих из одного или нескольких ионов. Исходя из этого сложилось определение кристаллической решётки, основу которой формируют ее узлы, состоящие из повторяющейся группы атомов.
Наличие определенной упорядоченности во взаимном расположении атомов и молекул в твёрдых телах всегда определена наличием ближнего или дальнего порядка. Если промежутки сравнимы с межатомными, то это будет ближний порядок. Если упорядоченность повторяется на бесконечно больших промежутках, то это будет дальний порядок.
В любой кристаллической решётке имеется возможность выделить некую примитивную ячейку, которая периодически повторяется по всему кристаллу. Её выделение дает возможность точного описания расположения атомов и ионов в кристаллическом материале, и посредством этих элементов симметрии получить характеристику общей структуры кристалла. Для этого используют векторную трансляцию.
Каждую элементарную, или ранее названную примитивную, ячейку задают с помощью трех осей, называемых векторами физической трансляции. Эти векторы бывают различной длины. Трансляционный повтор таких эффектов в пространстве кристалла помогает получить решётки Браве. Решётка Браве — это математическая схема, отражающая трансляционную симметрию кристалла.
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Таких решёток 14. С их помощью можно описать всю многоликость мира кристаллов. Они представляют собой бесконечную периодическую структуру, обладающую одинаковым пространственным порядком и ориентацию независимо от того, какой узел был принят за начало отсчета. Примером самой простой объемной решётки считается обычная кубическая решётка. По видам элементарной ячейки определяют к какой из семи сингоний принадлежит решётка Браве:
При преобразовании симметрии само пространство не деформируется, а остается жестким целым. По окончании преобразования симметрии части исследуемого объекта, которые находятся в одном месте, полностью совпадают с частями этого объекта, находящимися в другом месте. Это подтверждается фактом наличия в симметричном объекте совместимых или зеркальных частей.
Классификация групп ведется по числу измерений пространства, в котором объект периодичен. А также, по числу измерений пространства, в которых они определены, и по другим признакам. Всего групп тридцать две. Таким образом, если подвергнуть решётки Браве изменениям симметрии, то можно получить все необходимые кристаллические структуры и с математической точки зрения описать симметрию абсолютно любого кристалла и любого твёрдого тела.