Физика (лучшее) (стр. 5 из 17)
Билет № 10
Твёрдые тела бывают аморфными и кристаллическими. Аморфными. называют тела, в которых атомы или молекулы расположены беспорядочно. Примерами этих тел являются янтарь, стекло, пластмассы и т.д. Аморфные тела являются изотропными, т.е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям. Твёрдые тела, атомы или молекулы которых расположены в определённом порядке, называются кристаллами. Все кристаллические тела делятся на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллы представляют собой одиночные кристаллы, имеющие единую кристаллическую решетку. Монокристаллы встречаются в природе в естественных условиях (кварц, поваренная соль, рубин алмазы и т.д.). Создав специальные условия (удаление примесей, очень медленное охлаждение расплавов и т.д.) их можно вырастить искусственно. Физические свойства (механические, тепловые, электрические, оптические) монокристаллов, как правило, различны по различным направлениям. Как показатель преломления кристалла исландского шпата зависит от того, как на него падает луч света. Такое свойство кристаллических тел называется‚ анизотропностью. Поликристаллы представляют собой совокупность большого числа сросшихся между собой и хаотически ориентированных маленьких монокристаллов, называемых кристаллитами. Такое поликристаллическое тело в целом изотропно, хотя каждый кристаллит сам по себе анизотропен. Поликристаллы получаются, как правило, путём кристаллизации жидкого вещества при охлаждении его в обычных условиях.
Для наглядного представления структуры кристаллов применяется способ изображения его с помощью кристаллической решётки. Кристаллической решёткой называется пространственная сетка, узлы которой совпадают с центрами атомов или молекул в кристалле .
По характеру взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), расположенных в узлах кристаллической решётки, различают четыре типа кристаллов: атомные, ионные, металлические и молекулярные кристаллы.
1. Ионные кристаллы. В узлах кристаллической решётки этих кристаллов располагаются новы разных знаков, причём они чередуются между собой. Силы взаимодействия между ними электростатические (кулоновские). Связь, обусловленная кулоновскими силами притяжения, называется ионной или гетерополярной. В ионном кристалле нельзя выделить отдельные молекулы. Примерами ионных кристаллов являются галоидные соединения щелочных металлов (NaC1, KBr, KCI и другие), а также оксиды различных элементов (CaO, MgO и т.д.).
2. Атомные кристаллы. В этих кристаллах в узлах кристаллической решётки находятся нейтральные атомы, которые удерживаются в них так называемыми ковалентными связями. Ковалентная связь возникает только между двумя атомами парами валентных электронов (по одному от каждого атома), движущихся по орбитам, охватывающих оба атома. Поэтому число связей, в которых может участвовать данный атом, а следовательно, и число соседних атомов, связанных с ним, равно его валентности. Атомными кристаллами являются алмаз, кремний, германий и т.д. В перечисленных кристаллах каждый атом, например кремний, окружен четырьмя такими же атомами, поскольку его валентность равна четырём. Атомы образуют кристаллическую структуру, в которой один атом расположен в центре тетраэдра, а четыре - в его вершинах. При этом ковалентная связь образуется между центральным атомом и атомами в вершинах тетраэдра.
3. Металлические кристаллы. Во всех узлах кристаллической решётки расположены положительные ноны. Это объясняется тем, что при образовании кристаллической решётки валентные электроны, наиболее слабосвязанные с атомами, отрываются от атомов и коллективизируются, т.е. они уже принадлежат не одному атому, а всему кристаллу в целом. Поэтому в металлах между положительными нонами хаотически движутся электроны, взаимодействие которых с положительными нонами металла и приводит к возникновению сил притяжения, компенсирующих силы отталкивания ионов и образованию кристалла.
4. Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решётки располагаются молекулы, ориентированные определённым образом. Силы, образующие кристалл, имеют электростатическое происхождение. Следует отметить, что многие свойства тел, такие как трение, прилипание, сцепление, поверхностное натяжение, вязкость и т.д. являются проявлением электростатических сил. К молекулярным кристаллам относятся лёд, йод, парафин, большинство твёрдых органических соединений и т.п., а также водород, аргон, метан и другие газы после превращения их в твёрдые тела.
2. При строительстве и конструировании различных сооружений, в том числе и строительных, необходимо знать механические свойства используемых материалов: бетона, железобетона, стали, пластмасс и т.д. Поэтому рассмотрим лишь механические свойства твёрдых тел.
1. Основные понятии. деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием приложенных сил. Различают два вида деформации — упругую и пластическую. Упругой называют деформацию, которая исчезает после прекращения действия приложенных сил. Если же после снятия сил тело не возвращается в исходное состояние, то такая деформация называется пластической (неупругой). Вид деформации зависит от материала тела и от величины приложенного усилия. Механическим усилием (усилием) р называют внешнюю силу, отнесённую к единице площади, т.е.
где F — сила, действующая на площадку S. При деформации в теле возникают cилы, противодействующие внешним силам. Их называют упругими. Упругая сила, отнесённая к единице площади, называется механическим напряжением (напряжением)
где Fупр сила, действующая на площадку S.
Деформацию тел оценивают абсолютной и относительной деформацией. Абсолютной деформацией DХ называют разность конечного Х и начального Х0 размера тела, т.е.
Абсолютная деформация при растяжении положительная, а при сжатии — отрицательная. Относительной деформацией e называется отношение абсолютной деформации к первоначальному размеру тела, т.е.
Относительная деформация показывает, на какую часть изменились первоначальные размеры тела. Существуют различные виды деформации:
продольное растяжение (или сжатие), сдвиг, кручение, изгиб. Рассмотрим некоторые из них.
2. Продольное растяжение (или сжатие). Простейшим видом деформации твёрдого тела является продольное растяжение (сжатие). Оно возникает в тонком стержне, один конец которого закреплён, а к другому вдоль его оси приложена сила Г, равномерно распределённая по поперечному сечению стержня В результате этого длина стержня изменяется от
до 
Гук показал, что при упругой деформации удлинение(сокращение) 
стержня пропорционально приложенной силе 
где k - коэффициент пропорциональности. Это соотношение называют законом Гука. Однако удлинение (сжатие) тела зависит не только от приложенной силы, но и от его геометрической формы и размеров, а также от материала, из которого оно сделано. Опытным путём установлено, что чем длиннее стержень, тем он больше удлиняется (сокращается) при данной силе, и чем больше площадь его поперечного сечения, тем его удлинение (сокращение) меньше. Это утверждение можно записать математически следующим образом:
где l0 и S - длина и площадь поперечного сечения стержня, Dl - изменение длины стержня под действием силы F, Е — модуль Юнга. Но, усилие, действующее на стержень, равно F/S = р, так как сила равномерно распределена по сечению, и Dl/I0 = e — относительное удлинение (сжатие) стержня Тогда соотношение запишется в виде
т.е. в пределах упругости относительная деформация пропорциональна усилию, приложенному к телу.
Усилие, приложенное к телу, одинаково в любом поперечном сечении стержня. Оно вызывает появление внутри стержня напряжении, которые также будут одинаковы по всей его длине и равны усилию по модулю, но противоположны по направлению, т.е.
. С учётом этого выражение запишется: 
Таким образом, напряжение упруго-деформированного тела пропорционально его относительной деформации.