Štruktúra a vlastnosti pevných látok

Na začiatku tohto storočia vznikol samostatný odbor - fyzika pevných látok, ktorý sa usiluje ako samostatný fyzikálny odbor preniknúť k základným zákonitostiam prírody. Pevné látky sa rozdeľujú do dvoch skupín: kryštalické a amorfné látky.

Kryštalické látky - pravidelné usporiadanie častíc(atómov, molekúl, iónov), z ktorých sa skladajú. Niekedy sa vyskytujú ako monokryštáli. Častice monokryštálu sa periodicky opakujú v celom kryštáli. V prírode (kamenná soľ NaCl, kremeň SiO₂, a jeho farebné odrody, diamant, granát), umelé(meď, olovo, zinok - kovy, germánium, kremík - polovodiče, rubín - umelé drahokamy). Väčšina kryštalických látok sa vyskytuje ako polykryštály, lebo sa skladajú z veľkého počtu drobných kryštálikov - zŕn s rozmermi od 10*10^-6 po niekoľko mm. Vnútri zŕn sú častice usporiadané pravidelne, vzájomná poloha zŕn je však náhodná. Medzi polykryštály patria všetky kovy, zeminy, íly, prach a pod. Rozličná orientácia zŕn spôsobuje, že polykryštály sú zväčša izotropné - vlastnosti týchto látok sú vo všetkých smeroch vo vnútri polykryštálu rovnaké. Naproti tomu monokryštály sú anizotropné (sľuda).

Amorfné látky - okolo vybranej častice k nej najbližšie rozložené približne pravidelne, ale so zväčšujúcou vo vzdialenosťou sa táto pravidelnosť usporiadania častíc porušuje. Ich štruktúra sa vyznačuje krátkodosahovým usporiadaním. Pri kryštalických látkach sa naopak usporiadanie vyznačuje ďalekodosahovým usporiadaním. Amorfné látky (sklo, jantár, živica vosk, asfalt, plasty) sú zväčša izotropné. Lámavosť je vo všetkých smeroch rovnaká. Osobitnú skupinu amorfných organických látok tvoria polyméry.

Pre vnútornú stavbu kryštálu je typická pravidelnosť. Trojrozmerná sústava rovnobežiek tvorí geometrickú mriežku. Priesečníky priamok sú uzlové body.

Základná (elementárna) bunka je základný rovnobežnosten, obsadený časticami istým spôsobom. Pravidelným usporiadaním elementárnych buniek vzniká ideálna kryštálová mriežka.

kocková sústava - základná bunka má tvar kocky. Dĺžka jej hrany sa nazýva mriežková konštanta a. Základná bunka môže byť primitívna, plošne centrovaná alebo priestorovo centrovaná. Primitívna sa v prírode vyskytuje len výnimočne.

Typy väzieb medzi časticami pevných látok:

a) iónová väzba(NaCl, KBr, CsCl, LiF, oxidy alkalických zemín CaO₂ apod.). Tieto kryštály sú veľmi tvrdé s pomerne vysokou teplotou topenia. Sú však krehké a štiepne pozdĺž rovín kolmých na hrany elementárnej bunky. Sú dobré elektrické izolanty. Pri vyšších teplotách sú elektricky vodivé. Zväčša sú priehľadné.

b) vodíková väzba - najčastejšie v organických látkach, ale tiež napríklad viaže ióny kyslíka v ľade

c) kovová väzba - mriežka sa skladá z kladných iónov, medzi ktorými sa pohybujú neusporiadaným pohybom valenčné elektróny - elektrónový plyn. Veľmi dobrá elektrická a tepelná vodivosť, povrchový lesk, nepriehľadné, dobrá kujnosť a ťažnosť

d) kovalentná väzba (diamant, germánium, kremík, karbid kremíka) -smerová väzba, tvrdosť, vysoká teplota topenia, v bežných rozpúšťadlách nerozpustné, izolanty alebo polovodiče

e) Van der Waalsova väzba - slabá, typická pre inertné prvky (I, Cl, O, organické zlúčeniny), stabilná len pri nízkych teplotách, mäkké, nízka teplota topenia.

V reálnych kryštáloch sa najčastejšie uplatňuje viac typov väzieb. Dokonalá priestorová štruktúra však nie je v reálnych kryštáloch. Každý reálny kryštál ma vo svojej štruktúre poruchy (defekty).

1.bodové poruchy

a) vakancia - chýbajúca častica v mriežke (kovové zliatiny)

b) intersticiálna poloha častíc -častica mimo pravidelného bodu miežky

c) prímesy - cudzie atómy, ktoré sa vyskytujú v kryštáli daného chemického zloženia

2.čiarové poruchy - dislokácie, je niekoľko typov, napr. hranolová dislokácia

Pevné väzby medzi časticami pevných látok spôsobujú, že základnou charakteristikou pevných látok je ich tvar. Deformácia -zmena tvaru pevného telesa spôsobená účinkom vonkajších síl. Keď pevné teleso nadobudne pôvodný tvar, len čo prestanú pôsobiť vonkajšie sily, hovoríme o pružnej (elastickej) deformácii. Táto deformácia je dočasná. Trvalá deformácia sa nazýva tvárna (plastická).

Druhy jednoduchých deformácií:

1.deformácia ťahom - na teleso pôsobia dve sily opačného smeru smerom von z telesa

2.deformácia tlakom - na teleso pôsobia dve sily do vnútra telesa

3.deformácia šmykom - na hornú a dolnú podstavu telesa pôsobia sily F a F` a to v rovinách týchto podstáv. Sily spôsobujú posunutie jednotlivých vrstiev telesa - šmyk. Vzdialenosť vrstiev sa však nemení.

4.deformácia ohybom - nastane, ak na teleso pôsobí sila kolmo na jeho pozdĺžnu os súmernosti

5.deformácia krútením - na obidva konce telesa pôsobia dve sily rovnakej veľkosti, no opačného smeru.

V technickej praxi sa najčastejšie vyskytujú deformácie zložené z niekoľkých typov jednoduchých deformácií. Sily pružnosti medzi časticami pôsobia proti deformačným silám.

Pri pružne deformovanom pevnom telese pôsobia na plochu ľubovoľného priečneho rezu z oboch strán sily pružnosti.

Stav napätosti charakterizujeme pomocou normálového napätia

d_n = Fp / S [d]=Pa. Keď sa pri deformácii mení dĺžka telesa, vzniká predĺženie Dl = l - l_l. V praxi uvažujeme o relatívnom predĺžení e = Dl /l_l. Závislosť normálového napätia od relatívneho predĺženia vyjadruje krivka deformácie.

1.OA - pružná deformácia. Platí Hookov zákon: Normálové napätie je priamo úmerné relatívnemu predĺženiu. d_a = E.e

E - modul pružnosti v ťahu [E]=Pa, závisí od druhu látky.

d_n- medza úmernosti

2.AB - dopružovanie. Keď prestanú pôsobiť vonkajšie sily, deformácia nezanikne hneď, ale až po určitom čase. d_d - medza pružnosti, príliš sa neodlišuje od medze úmernosti. Niektoré látky ich majú dokonca rovnaké.

3.BC - plastická deformácia

4.CD - tečenie materiálu, malej zmene normálového napätia prislúcha veľká zmena relatívneho predĺženia. d_k -medza klzu (prieťažnosti).

5.DE - spevnenie materiálu. d_p - medza pevnosti, po jej prekročení sa poruší súdržnosť látky - tyč sa pretrhne.

Znalosť medze pružnosti a medze pevnosti má veľký význam pri výbere materiálov. Krivka deformácie nemá pre všetky látky rovnaký priebeh. Látka je pružná, keď aj pri pomerne veľkom e je vyvolané d_n < d_u (napr. oceľ je pružná do e = 1%). Ak sa medza pevnosti približuje k medzi pružnosti je látka krehká (liatina, sklo, mramor).

Tepelná rozťažnosť

Jav, pri ktorom sa menia rozmery telesa so zmenou teploty sa nazýva tepelná rozťažnosť. Predĺženie tyče je priamo úmerné začiatočnej dĺžke a prírastku teploty. Okolitý tlak je pritom konštantný a zmena teploty nie je príliš veľká.

l = l₁(1 + a.Dt). a - súčiniteľ teplotnej dĺžkovej rozťažnosti. V monokryštáloch sa pri teplotnej rozťažnosti prejavuje anizotropia (gula-elipsoid).

So zmenou teploty sa mení aj objem telesa.

V = V₁ (1 + b. Dt). b - súčiniteľ teplotnej objemovej rozťažnosti, závisí od druhu látky. Pre anizotropné teleso z pevnej látky je b = 3.a. Pri veľmi nízkych teplotách a a b klesajú s treťou mocninou T.

Teplotná rozťažnosť v praxi: koľajnice, elektrické vedenie, kovové kotly, pružné kolená na potrubiach s horúcou parou. Dĺžkové meradlá, odmerné valce, banky sú presné len pri teplote, pri ktorej boli ciachované. Preto sa presné meradlá zhotovujú z kovov s malým súčiniteľom dĺžkovej rozťažnosti(zliatina platiny a irídia, invar -zliatina železa a niklu).