11.2. Твердые вещества
11.2. Твердые вещества
11.2.1. Основные понятия
Твердое тело - основной материал, используемый человеком. От кремневых орудий неандертальца до современных машин и механизмов, во всех технических приспособлениях, созданных человеком, используются различные свойства твердых тел. Если на ранних ступенях развития цивилизации использовались механические свойства твердых тел, которые непосредственно ощутимы человеком, -твердость, масса, пластичность, упругость, хрупкость и т.п., и твердые тела применялись лишь как конструктивный материал, то в современных технологиях используется огромный арсенал физических свойств твердых тел - электрических, магнитных, тепловых и т.д., как правило, недоступных непосредственному человеческому восприятию и обнаруживаемых только при лабораторных исследованиях.
В развитии теории твердого тела в истории физики не было особых споров и потрясений, как это имело место при становлении других разделов физики. Это можно объяснить тем, что свойства твердых тел определялись не столько на основе умозрительных теорий, сколько являлись следствием опытного изучения многочисленных веществ, считавшихся твердыми телами. Однако необходимо отметить ряд исследователей, блогодаря трудам которых набран громадный экспериментальный материал по свойствам разнообразных твердых тел и была создана достаточно стройная теория твердого тела.
В 1660 г. английским физиком Робертом Гуком был сформулирован основной закон, выражающий связь между напряженным состоянием и деформацией упругого тела. Закон был установлен для простейшего случая растяжения или сжатия стержня, но затем он был распространен на произвольную форму образцов и на все виды деформаций.
Значительно позже, уже в XIX столетии францусский инженер Габриэль Ламе, много лет проработавший в Петербурге, внес существенный вклад в теорию упругости, определив связь нормальных и касательных напряжений с компонентами деформаций.
Весьма значительную роль в понимании структуры твердого тела сыграло открытие в 1873 году голландским физиком Ван-дер-Ваальсом межмолекулярных сил, объединяющих атомы и молекулы твердого тела в единую структуру.
В настоящее время примерно половина всех физиков мира работает в области твердого тела, и теория твердого тела представляет собой весьма разветвленное учение.
Наряду с кристаллическим состоянием твердого тела существует аморфное состояние, в том числе стеклообразное состояние. Кристаллы характеризуются дальним порядком расположения атомов, в аморфных телах дальний порядок отсутствует. Аморфное тело можно рассматривать как жидкость с очень
234
Глава 11■ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ
большой вязкостью. Принципиально аморфное состояние должно рано или поздно переходить в кристаллическое.
Все свойства твердого тела могут быть поняты на основе знания его атомномолекулярного строения, законов движения атомных (атомов, ионов и молекул) и субатомных (электронов, атомных ядер) частиц. Физика твердого тела выделилась в самостоятельную научную дисциплину.
Механические свойства твердых тел - реакции на внешние механические воздействия - сжатие, растяжение, изгиб, удар и т.д., определяются силами связи между его структурными частицами. Многообразие этих сил приводит к разнообразию механических свойств - одни тела пластичны, другие хрупки. Обычно металлы более пластичны, чем диэлектрики. При небольших статических нагрузках у всех твердых тел наблюдается линейное соотношение между напряжением и деформацией. Механические свойства твердых тел зависят от наличия дефектов и дислокаций, а также от их обработки, вносящей или устраняющей дефекты - отжиг, закалка, легирование и пр. Механические свойства многих материалов существенно зависят от внесенных в них примесей, процентное содержание которых может быть очень небольшим (доли процентов), но которые могут изменить механические свойства материалов, например упругость или прочность на разрыв, во много раз. Механические свойства твердых тел - основа их инженерного применения как конструкционных материалов.
С точки зрения электрических характеристик все твердые тела необходимо разделить на металлы, полупроводники и диэлектрики. Металлы (проводники) обладают высокой проводимостью порядка 1016 Сименс/м (сопротивлением порядка 10'16 Ом/м ), полупроводники - порядка единиц Сименс/м (сопротивлением порядка единиц Ом/м ), изоляторы обладают высоким сопротивлением порядка 1016 Ом/м3 .
С точки зрения магнитных свойств все твердые тела необходимо разделить на диамагнетики, у которых намагниченность направлена встречно внешнему намагничивающему полю (азот, водород, германий, кремний, соль, вода, фосфор, висмут, медь, золото, серебро, многие органические и неорганические соединения), и на парамагнетики, у которых намагниченность направлена по полю (алюминий, литий, натрий, калий и т.д.). Диамагнетики отталкиваются от полюсов магнита, а парамагнетики притягиваются. Но при снятии магнитного поля и те, и другие собственным полем не обладают. Им обладают ферромагнетики и антиферромагнетики, которые после снятия магнитного поля сохраняют свой магнитную структуру.
Ферромагнетики (железо, кобальт, никель и пр.) намагничиваются по полю и усиливают его, а антиферромагнетики (некоторые редкоземельные элементы, окислы и соединения некоторых ферромагнетиков) намагничиваются против поля и ослабляют его.
