Определение: Твердое тело – одно из четырёх агрегатных состояний вещества. В деятельности человека используются различные свойства твёрдых тел. С этими свойствами мы начинаем знакомиться еще в детстве, ведь это неотъемлемый элемент познания мира. Изучение свойств твердых тел является одной из фундаментальных основ физики и проводится как на макро-, так и на микроуровне, что необходимо для получения более точных результатов исследований и возможности самостоятельно придавать материалу необходимые свойства.
Фото: photopea.ru
По внутренней структуре твердых тел выделяют два их типа:
Фото: formulki.ru
Изучением структуры твёрдых тел занимается физика твердого тела. Каждое тело состоит из атомов, которые способны связываться друг с другом множеством разнообразных способов, из-за чего твердые материалы имеют разнообразные свойства, которые повсеместно применяются в производстве. А с открытием новых свойств технологии движутся вперед, поскольку они применяются в большинстве областей.
К примеру, электроника и электротехника просто не могли бы существовать без использования твердых тел: металлы-проводники и вещества-диэлектрики используются самым активным образом, ведь без них невозможно представить ни одно устройство, которое работает без электричества. Соответственно, без использования свойств твёрдых тел в нужном направлении человечество не смогло бы достичь такого поразительного уровня технического и технологического развития, какой мы имеем в наши дни. Поэтому физика интенсивно занимается изучением твердых тел, ведь в них кроется путь к множеству открытий и к созданию гораздо более впечатляющих технологий.
Как несложно понять из названия, все кристаллы имеют кристаллическую структуру, то есть их внутреннее строение предполагает наличие кристаллической решётки, в которой все атомы выстраиваются в определённом порядке и впоследствии не меняют своего положения относительно решётки. У кристаллов плоские грани, а структурные элементы повторяются со строгой цикличностью. В отличие от кристаллических тел, аморфные тела не имеют строгого порядка устроения внутренней структуры – они состоят из хаотичного скопления атомов или молекул, которые при этом они, как и атомы в кристаллах, не меняют положение и имеют определенную амплитуду колебаний.
Благодаря наличию четкой циклической структуры внутреннего строения, вещества с кристаллической решеткой получили такое распространение и популярность в науке и используются в самых разных сферах: в строительстве они используются из-за своей прочности, в электронике и электротехнике из-за хорошей электрической проводимости, а их магнитные свойства применяются практически повсеместно. Также рационально их использовать и для нагревания или охлаждения, потому что за счёт некоторых аспектов строения решетки некоторые твердые тела хорошо поглощают тепло и быстро нагреваются, а другие – наоборот, не предрасположены к поглощению тепла, из-за чего они способны дольше сохранять нормальную температуру.
В отличие от аморфных тел, кристаллы имеют анизотропные свойства, то есть от направления внутри тела зависят его физические свойства и характеристики. Если такое тело повернуть как целостную систему, это может изменить ход физических процессов, связанных с анизотропным телом.
Заметка: благодаря цикличности строения кристаллы способны к самовоспроизведению, таким образом они расширяются и распространяются. Таким образом, например, образуются многие горные минералы.
«Аморфный» переводится с греческого как «бесформенный». И это соответствует действительности: аморфные тела при повышении температуры достаточно быстро размягчаются и впоследствии переходят в жидкое агрегатное состояние. Иногда, из-за исключительно близкого порядка расположения частиц относительно друг друга, их даже называют переохлажденными жидкостями. Кроме этого, аморфные тела являются изотропными, то есть свойства вещества одинаковы по всем направлениям, а поворот системы как целого не нарушает и не изменяет хода протекающих физических и химических явлений, связанных с телом, которое обладает изотропными свойствами.
Основные свойства аморфных тел:
Определение: Упругость – это свойство, присущее всем твердым телам, которое позволяет им возвращаться в начальную форму при упругой деформации.
То есть, если убрать действие силы, вследствие которого тело деформировалось, оно вернёт свою изначальную форму и размеры, а также остальные физические свойства, которые изменились в результате деформации.
Определение: Текучесть – свойство, которое приближает тела к жидкостям, то есть при увеличенном давлении тело постепенно уступает действию сдвигающих сил и начинает течь как жидкость.
Фото: photopea.ru
Внутренние свойства аморфных тел достаточно сильно приближены к свойствам тел с кристаллической решеткой: формульные единицы – атомы и молекулы – аморфных тел имеют определенный период и частоту колебаний возле положения равновесия, атомы не совершают долговременных переходов из изначального положения в какое-либо другое, а состояние равновесия почти всегда остаётся неизменным. При низких температурах аморфные тела гораздо больше похожи на кристаллические, а при высоких – скорее напоминают вязкие жидкости.
Из-за схожего строения при некоторых условиях аморфные тела могут превращаться в кристаллы. Знакомым каждому примером этого является обыкновенный сахар: если его расплавить и дать ему застыть, он превратится в привычный нам леденец, похожий на небольшой кусок стекла. Такой леденец будет являться аморфным телом, но через время он начнёт менять свою структуру – кристаллизоваться. Такие леденцы как правило называют «засахаренными».
Заметка: при охлаждении, скорость которого выше миллиона градусов в секунду, ученые смогли получить аморфные металлические сплавы, которые называются стеклообразными металлами. Они имеют высокий уровень прочности, благодаря чему их используют в качестве режущих инструментов. Кроме этого они мало подвержены коррозии – ржавению и распаду, а также имеют необходимые во многих отраслях науки и производства магнитные свойства.
Пластичными называются материалы, которые начинают деформироваться даже при минимальном воздействии внешней деформирующей силы. Тела же, которое разрушается при небольшой деформации и, опять-таки, маленьком воздействии внешней силы, называют хрупкими.
В наше время существует достаточно много различных хрупких материалов. К ним можно отнести, например, мрамор, стекло, фарфор, чугун и даже тот же обыкновенный лёд. Изделия из таких материалов, как правило, разбиваются при падении даже с, казалось бы, маленькой высоты. Всё это происходит как следствие того, что атомы в кристаллической решетке связаны некрепко, из-за чего она быстро и легко нарушается, а, следовательно, разрушается. И так как все связи в ней являются непрочными, последствия появляются практически по всей поверхности изделия, которое подверглось разрушающей деформации.
Фото: photopea.ru
Каждый материал имеет свой предел прочности. Когда этот предел превышается, кристаллическая решётка начинает разрушаться, из-за чего на материале появляются внешние дефекты, которые не всегда можно исправить. Это происходит из-за того, что когда при воздействии слишком большой внешней силы, выходящей за пределы упругости тела, оно деформируется, то вернуться в исходное состояние оно больше не может, так как в кристаллической решётке вызываются нарушения. При большой степени деформации материал может разорваться или растянуться до полного или частичного разрушения. Для каждого вещества эти пределы различаются и зависят как от внешних факторов, так и от характеристик внутреннего строения тела и его физических характеристик.
