Твердое тело

Свойства твердых тел

Твердое тело

Твердые тела обладают рядом специфических признаков и свойств. Они определяются различными параметрами и характерными чертами.

В основе изучения этих свойств лежит познавательный процесс всего окружающего нас мира. Это входит в фундаментальные основы физики.

Исследование сегодня проводятся не только на макроуровне, но и постигаются признаки привычных нам твердых тел, из которых состоит практически все вокруг.

Рисунок 1. Основные свойства твердых тел. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Типы твердых тел

Все твердые тела делятся на два основных типа:

  • аморфные тела;
  • тела с кристаллической структурой.

Твердые тела состоят из многообразия бесконечных молекулярных связей. Без использования различных твердых тел, которые обладают отличными друг от друга специфическими свойствами невозможно сегодня представить себе развитие науки и техники. В настоящее время металлы и другие диэлектрики активно используются в электротехники, электронике различного уровня.

В основе такого оборудования лежат полупроводники, которые обладают уникальными свойствами, позволяющими совершать научно-технический прогресс ускоренными темпами. Это и различные магниты, сверхпроводники, иные новые материалы с полезными характеристиками. Поэтому изучение физики твердого тела напрямую связано с дальнейшим развитием науки и технологий.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Взаимодействие частиц порождают появление особенных свойств у твердых тел с кристаллической структурой внутреннего строения. Коллективные свойства электронов могут определять степень электропроводности различных твердых тел.

Характер коллективного колебания атомов при взаимодействии определенной температурой позволяет говорить о способности к теплоемкости. Оно возникает в том случае, когда тела могут поглощать тепло в определенных пределах.

Одни твердые тела более предрасположены к поглощению тепла и нагреваются сильнее, другие – нет.

В кристаллах внутренняя структура вещества предполагает наличие кристаллической решетки. В таких твердых телах молекулы или атомы выстраиваются совершенно определенным и упорядоченным образом в пространстве.

Кристаллы имеют плоские грани, а также строгую периодичность расположения узлов и элементов всей конструкции. По-иному устроены твердые тела аморфного типа.

Они состоят из большого и беспорядочного скопления атомов.

Кристаллические тела обладают свойствами анизотропности, что предполагает зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. Все металлы имеют кристаллическую структуру, поэтому именно их человечество сегодня использует в качестве основного материала для строительства. Однако металлы в обычном своем состоянии не обнаруживают свойств анизотропности.

Есть случаи, когда одно и то же вещество может находиться в аморфном и кристаллическом состоянии.

Свойства аморфных тел

Аморфные твердые тела имеют признаки изотропности. Иными словами, физические свойства таких тел будут иметь одинаковые показатели по всем направления изучения. К таким телам часто относят стекло, смолу, леденцы. При определенном уровне внешних силовых воздействиях такие твердые тела преобразуются в иное состояние или приобретают иные признаки. К основным свойствам аморфных тел относят:

Упругость при этом подобно основным параметрам всех твердых тел, а текучесть имеет признаки жидкости.

Такие тела при кратковременном силовом физическом воздействии ведут себя как твердые тела, обладая упругостью. Однако при более сильных и активных воздействиях могут расколоться на части.

Если взаимодействия происходят интенсивно и на протяжении большого количества времени, тогда твердые тела подвержены текучести.

Рисунок 2. Особые свойства твердых тел. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Молекулы и атомы аморфных тел, как и в жидкостях имеют определенное время колебаний около положения равновесия. Время такого положения в отличие жидкости не такое большое, поэтому их по внутренним свойствам приближают к кристаллическим.

Атомы не перестраиваются из одного положения в другое постоянно и надолго. Состояние равновесия атомов сохраняется практически без изменений. Аморфные тела при низких температурах полностью соответствуют свойствам твердых тел.

Если температура стремится к повышению, связи на молекулярном уровне также изменяются. Эти тела приближенно напоминают свойства жидкостей.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке. Если происходит понимание свойств указанных веществ, то можно создавать такие материалы, которые будут соответствовать определенным характеристикам и свойствам.

Пластичность и хрупкость

Существуют такие материалы, которые испытывают пластичные деформации при относительно небольшом воздействии внешних факторов. Свойства пластичности характерны для аморфных твердых тел.

Если тело способно разрушаться при небольших деформациях, тогда стоит говорить о твердых телах со свойствами хрупкости.

Это специфическое физическое свойство имеет более важное значение на практике, чем упругость и пластичность.

В качестве наиболее хрупких материалов можно привести в пример изделия из фарфора. Все знают, что посуда может разбиваться на куски во время падения с высоты.

Мрамор, чугун и янтарь также можно причислить к материалам, которые обладают довольно большой степенью хрупкости.

Остальные металлы обычно не предполагают наличия таких свойств и выдерживают серьезные нагрузки до момент деформации или разрушения.

Специалисты неохотно делят твердые тела на пластичные и упругие, поскольку это деление носит условный характер. Это означает, что один и тот же материал способен приобретать те или иные свойства исходя из внешних факторов. Один материал может обладать свойствами упругости и пластичности в зависимости от возникающих напряжений.

Также у различных материалов есть собственный предел прочности. Он возникает в момент, когда напряжение в материале значительно превышает предел упругости. В этом случае, подверженный нагрузкам предмет не принимает исходных размеров и остается в деформированном виде.

При увеличении нагрузки на твердое тело процесс деформации происходит с новой силой и быстрее. При достижении максимума в определенной точке происходит разрыв материала.

Напряжение в этот отрезок времен достигает предельного максимального значения. Деталь растягивается без увеличения внешней нагрузки до полного или частичного разрушения.

Подобная величина будет зависеть от определенного материала и качества его обработки.

Твердое тело

Твердое тело
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

  • Абсолютно твердое тело
  • Абсолютно упругое тело

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.

Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела — Класс!ная физика

Твердое тело

Твердые тела отличаются постоянством формы и объема и делятся на кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела

Кристаллические тела (кристаллы) — это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают упорядоченные положения в пространстве.

Частицы кристаллических тел образуют в пространстве правильную кристаллическую пространственную решетку.

Каждому химическому веществу, находящемуся в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая решетка, которая задает физические свойства кристалла.

Знаете ли вы?

Много лет назад в Петербурге на одном из неотапливаемых складов лежали большие запасы белых оловянных блестящих пуговиц. И вдруг они начали темнеть, терять блеск и рассыпаться в порошок. За несколько дней горы пуговиц превратились в груду серого порошка. «Оловянная чума» — так к прозвали эту «болезнь» белого олова. А это была всего лишь перестройка порядка атомов в кристаллах олова. Олово, переходя из белой разновидности в серую, рассыпается в порошок. И белое и серое олово — это кристаллы олова, но при низкой температуре изменяется их кристаллическая структура, а в результате меняются физические свойства вещества.

Кристаллы могут иметь различную форму и ограничены плоскими гранями.

В природе существуют:
а) монокристаллы — это одиночные однородные кристаллы, имеющие форму правильных многоугольников и обладающие непрерывной кристаллической решеткой

Монокристаллы поваренной соли:

б) поликристаллы — это кристаллические тела, сросшиеся из мелких, хаотически расположенных кристаллов.
Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру (металлы, камни, песок, сахар).

Поликристаллы висмута:

Анизотропия кристаллов

В кристаллах наблюдается анизотропия — зависимость физических свойств (механической прочности, электропроводности, теплопроводности, преломления и поглощения света, дифракции и др.) от направления внутри кристалла.

Анизотропия наблюдается в основном в монокристаллах. В поликристаллах (например, в большом куске металла) анизотропия в обычном состоянии не проявляется. Поликристаллы состоят из большого количества мелких кристаллических зерен. Хотя каждый из них обладает анизотропией, но за счет беспорядочности их расположения поликристаллическое тело в целом утрачивает анизотропию.

Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо — при 1530°,олово — при 232°, кварц — при 1713°, ртуть — при минус 38°.

Нарушить порядок расположения в кристалле частицы могут, только если он начал плавиться.

Пока есть порядок частиц, есть кристаллическая решетка — существует кристалл. Нарушился строй частиц — значит, кристалл расплавился — превратился в жидкость, или испарился — перешел в пар.

Аморфные тела

Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении атомов и молекул (стекло, смола, янтарь, канифоль).

В амофных телах наблюдается изотропия — их физические свойства одинаковы по всем направлениям.

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства (при ударах раскалываются на куски как твердые тела) и текучесть (при длительном воздействии текут как жидкости).

При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела, а при высоких температурах — подобны очень вязким жидкостям. Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления, а значит,и температуры кристаллизации.
При нагревании они постепенно размягчаются.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.

Интересно

Одно и то же вещество может встречаться и в кристаллическом и в некристаллическом виде. В жидком расплаве вещества частицы движутся совершенно беспорядочно. Если, например, расплавить сахар, то:

1. если расплав застывает медленно, спокойно, то частицы собираются в ровные ряды и образуются кристаллы. Так получается сахарный песок или кусковой сахар;

2. если остывание происходит очень быстро, то частицы не успевают построиться правильными рядами и расплав затвердевает некристаллическим. Так, если вылить расплавленный сахар в холодную воду или на очень холодное блюдце, образуется сахарный леденец, некристаллический сахар.

Удивительно!

С течением времени некристаллическое вещество может «переродиться», или, точнее, закристаллизоваться, частицы в них собираются в правильные ряды. Только срок для разных веществ различен:для сахара это несколько месяцев, а для камня — миллионы лет. Пусть леденец полежит спокойно месяца два-три.Он покроется рыхлой корочкой. Посмотрите на нее в лупу: это мелкие кристаллики сахара. В некристаллическом сахаре начался рост кристаллов. Подождите еще несколько месяцев — и уже не только корочка, но и весь леденец закристаллизуется. Даже наше обыкновенное оконное стекло может закристаллизоваться. Очень старое стекло становится иногда совершенно мутным,потому что в нем образуется масса мелких непрозрачных кристаллов. На стекольных заводах иногда в печи образуется «козел», то есть глыба кристаллического стекла. Это кристаллическое стекло очень прочное.Легче разрушить печь, чем выбить из нее упрямого «козла». Исследовав его, ученые создали новый очень прочный материал из стекла — ситалл. Это стеклокристаллический материал, полученный в результате объёмной кристаллизации стекла.

Любопытно!

Могут существовать разные кристаллические формы одного и того же вещества.

Например, углерод.

Графит — это кристаллический углерод. Из графита сделаны стержни карандашей, которые оставляют след на бумаге при легком надавливании. Структура графита слоиста. Слои графита легко сдвигаются, поэтому чешуйки графита пристают к бумаге при письме.

Но существует и другая форма кристаллического углерода — алмаз.

Так расположены атомы углерода в кристалле графита (слева) и алмаза (справа).

Алмаз — самый твердый на земле минерал.

Алмазом режут стекло и распиливают камни, применяют для бурения глубинных скважинах, полируют сверхтвердые сплавы, алмазы необходимы для производства тончайшей металлической проволоки диаметром до тысячных долей миллиметра, например, вольфрамовых нитей для электроламп.

Назад в раздел «10-11 класс»

Молекулярная физика. Термодинамика — Класс!ная физика

Основные положения МКТ. Масса и размер молекул. Количество вещества. — Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. — Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. — Температура. Тепловое равновесие.

Абсолютная шкала температур. — Уравнение состояния идеального газа. — Изопроцессы. Газовые законы. — Взаимные превращения жидкостей и газов. Влажность воздуха. — Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела.

II. Молекулярная физика

Твердое тело
Твердое тело имеет собственную форму, не растекается по объему и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры — кристаллические решетки.
Кристаллическое тело может состоять из одного кристалла (монокристалл). Может состоять из многих «сросшихся» кристаллов (поликристаллы).
Монокристалл Поликристалл
Монокристаллы обладают анизотропией, поликристаллы изотропны. Анизотропия — различие свойств по разным направлениям. Прежде всего, бросается в глаза различная механическая прочность кристаллов по разным направлениям.
Например, кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Так же легко расслаивается в одном направлении кристалл графита.
Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Многие кристаллы по-разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов.
Так, кристалл алмаза по-разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей.
Молекулы (ионы, атомы), образующие кристаллическую решетку, колеблются около положения узла, отклоняясь на малые, по сравнению с расстоянием между узлами, расстояния. Чем выше температура тела, тем больше размах колебаний молекул. Кинетическая энергия молекул значительно выше потенциальной энергии их взаимодействия.

Жидкие кристаллы

Это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия).
По структуре представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости.
Модель жидкого кристалла

Деформация твердого тела

Изменение линейных размеров или форм твердого тела под действием внешних сил.
Виды деформаций. Деформация растяжения или сжатия — изменение любого линейного размера тела (длины, ширины или высоты).
Деформация сдвига — перемещение всех слоев твердого тела в одном направлении параллельно некоторой плоскости сдвига. Деформация изгиба — сжатие одних частей тела при растяжении других.
Деформация кручения — поворот параллельных сечений образца вокруг некоторой оси под действием внешней силы.

Механические свойства твердых тел

Сила упругости возникает при деформации тела, обусловлена электромагнитными силами взаимодействия составляющих его частиц. При небольшом внешнем воздействии атомы выходят из состояния равновесия и стремятся вернуться в исходное положение. Сила упругости направлена противоположно деформации.

Возьмем медную проволоку длиной l и площадью поперечного сечения S. Подвесим груз, под действием силы тяжести проволока удлинится на
Абсолютное удлинение
Относительное удлинение
При деформации растяжения , при сжатии — .
Жесткость образца. Модуль Юнга.
Модуль Юнга характеризует упругие свойства вещества. Это постоянная величина, зависящая только от материала, его физического состояния. Физический смысл модуля Юнга: он численно равен напряжению, которое возникло бы в образце при относительной деформации, равной единице. Характеризует способность материала сопротивляться деформации растяжения или сжатия. Значение модуля Юнга табличное.
Механическое напряжение.
Механическим напряжением называется отношение силы упругости, возникающей в образце, к площади поперечного сечения образца
[attention type=green]
Зависимость между ? и ? является одной из важнейших характеристик механических свойств твердых тел. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой растяжения.

Предел пропорциональности. Существует максимальное напряжение (до точки a на диаграмме) , при котором сохраняется прямая пропорциональность между механическим напряжением и относительным удлинением

Предел упругости. Максимальное напряжение (точка b на диаграмме), при котором еще не возникают заметные остаточные деформации. При снятии внешней силы, деформирующей образец, размеры и формы возвращаются к исходным.

При дальнейшем воздействии образец после снятия напряжения уже не восстанавливает свои первоначальные размеры и у тела сохраняется остаточная деформация. Такие деформации называются пластическими (участки bc, cd и de). На участке bc деформация происходит почти без увеличения напряжения. Это явление называется текучестью материала.

В точке d достигается наибольшее напряжение, которое способен выдержать материал без разрушения (предел прочности). В точке e происходит разрушение материала.

Материалы, у которых область текучести незначительна, называются хрупкими (стекло, фарфор, чугун).

Механические свойства твердого вещества можно отобразить и на диаграмме

Закон Гука справедлив на участке 01.

Напряжение, при котором материал разрушается называется пределом прочности. При проектировании зданий нельзя допускать, чтобы механическое напряжение в элементах конструкций достигали предельных значений. Для этого вводится так называемый запас прочности или коэффициент безопасности

Значения пределов прочности веществ при различных видах деформации являются табличными.

Пластичные металлы

Одним из наиболее пластичных металлов является золото. Из него можно изготовить так называемое сусальное золото — золотую фольгу толщиной всего несколько микрон.

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть