материалов, снижая их сопротивление деформированию, делая их пластичнее.
Однако взаимодействие дислокаций между собой, а также с препятствиями
другой природы уменьшает подвижность дислокаций. Это приводит к уменьшению
пластичности и к повышению прочности материалов. Можно графически
представить влияние дислокации на сопротивление сдвигу (рис29).
[pic]
рис. 29
Здесь по оси абсцисс отложена плотность дислокаций, а по ординате
-сопротивление сдвигу. Минимальное сопротивление сдвигу определяется
некоторой критической плоскостью дислокации ркр, приближённо оцениваемой
107-108 см -2. из анализа этой кривой следует, что можно повышать
прочность, повышая плотность дислокаций. Этот способ повышения прочности
называют наклёпом. При наклёпе в результате взаимодействия дислокаций их
дальнейшее движение затрудняется. Наклёп проводят, накатывая заготовку
между валками. Валки оказывают на заготовку большое давление и раскатывают
её в плоские листы. В результате этого увеличивается число дислокаций, а
следовательно у этих листов повышается сопротивления пластической
деформации.
Если продолжить анализ кривой, то можно сделать вывод, что прочность
можно повысить и другим способом, уменьшая плотность дислокаций,
приготовляя образцы металлов в виде очень тонких нитей (толщина 2-10мм),
так называемых усов, удалось поднять прочность в чистой меди, например, до
7*109н/м2, против реальной величины сопротивления сдвигу 105 н/м2.
Таким образом, изучение структуры твёрдого тела и улучшение на этой
основе тех или иных механических свойств материалов в зависимости от их
практического назначения приводят к качественному изменению самих
материалов, к прочности и долговечности конструкций и машин.
Электрические и магнитные свойства твёрдых тел
V. Электрические свойства твёрдых тел
По способности проводить электрический ток все вещества в природе условно
делят на три основных класса: проводники, полупроводники и диэлектрики.
5.1. Классическая электронная теория электропроводности металлов
Если металлическую пластинку, вдоль которой течет постоянный
электрический ток, поместить в перпендикулярное к ней магнитное поле, то
между гранями, параллельными направлениям тока и поля возникает разность
потенциалов U=(1-(2. Она называется Холловской разностью потенциалов.
Основная идея этой теории состоит в том, что электроны в металле свободны
и образуют своеобразный электронный газ, подобный идеальному газу.
При столь большой концентрации электронов их взаимодействие между собой,
как и с ионами решётки металла, очень велико. Однако средняя сила,
действующая на каждый электрон со стороны всех остальных электронов и
ионов, равных нулю, и поэтому в известном приближении такой электрон можно
рассматривать как свободный, который взаимодействует с ионами решётки
только при упругих соударениях. Следовательно, электронный газ, подобно
идеальному газу, обладает лишь кинетической энергией mv2T/2=3/2kT, где m -
масса электрона; v2T - средняя квадратичная скорость его движения; k
-постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура. Это выражение позволяет
определить среднюю квадратичную скорость теплового движения электрона:
VT=?v2T=?3kT/m.
Хаотическое тепловое движение электронов и непрерывные столкновения с
ионами кристаллической решётки приводят к тому, что нельзя указать
преимущественного направления движения заряда - в проводнике нет
электрического тока. Следовательно, ток может появиться лишь при наличии
электрического поля, сообщающего всем электронам некоторую добавочную,
«дрейфовую» скорость, направленную вдоль поля.
Одним из успехов классической электронной теории является также
объяснения связи между электропроводностью металлов и их теплопроводностью.
Действительно, обладая энергией теплового движения, электроны проводимости
участвуют в переносе тепла в металле, и, чем выше концентрация электронов,
от которой зависит электропроводность, тем больше и теплопроводность
металла. Прямая пропорциональная зависимость электропроводности и
теплопроводности была установлена опытным путём И.Видеманом и Р.Францем ещё
в 1853г. Открытый ими закон имеет вид: x/?=AT, х - коэффициент
теплопроводности; Т- абсолютная температура; А-константа. На основе
электронной теории Лоренца вычислил величину этой константы.
В 1901 г. Физик Э.Рике поставил следующий опыт. Через три металлических
цилиндра (медный, алюминиевый, медный), одинакового радиуса, которые плотно
соприкасались друг с другом хорошо отшлифованными торцевыми поверхностями,
в течении очень долгого времени пропускали ток. При этом через цилиндры
прошёл заряд 3,5*10 -6к. тщательное взвешивание цилиндров до опыта и после
него показало, что масса их не изменилась. Это позволило установить, что
электропроводность металлов обусловлена перемещением таких заряжённых
частиц, которые являются общими для всех металлов.
В 1912 году советские физики Л.И.Мандельштам и Н.Д.Папалекси на опыте
по наблюдению инерционного движения заряжённых частиц в металлическом
проводнике подтвердили, что в металле имеются такие частицы, которые слабо
связаны с кристаллической решёткой.
В 1916 году американские физики Толмен и Стюарт, применив чувствительный
гальванометр вместо телефона, показали, что частицы, образующие инерционный
ток при торможении катушки, имеют отрицательный электрический заряд, а
также вычислили удельный заряд этих частиц e/m. Они получили 4,8*1017ед.,
что оказалось близким к значению удельного заряда электрона, вычисленному в
опытах по отклонению пучка электронов в электрических и магнитных полях.
Таким образом, в работах Толмена и Стюарта электронная теория проводимости
металлов получила строгое экспериментальное обоснование.
Однако было обнаружено, что основная идея этой теории - наличие в металле
электронного газа, подобно идеальному, - находится в противоречии с
некоторыми опытными фактами.
Молярная теплоёмкость металла, вычисленная на основе электронной
теории, должна быть равна 37,5дж/(моль*град), а та же теплоёмкость,
полученная экспериментально,- 25 дж/моль*град. Такой же результат можно
получить и теоретически, если предположить, что электронный газ не обладает
теплоёмкостью. Подобное предположение выглядит очень странным, так как
согласно электронной теории температура металла определяется не только
энергией колебания атомов в решётке. Но и энергией движения электронов.
5.2. Диэлектрики
В 1880 г. французские учёные-физики Пьер и Жак Кюри открыли
пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэлектрический эффект заключается в следующем. Если из кристалла кварца
(кварц-диэлектрик) вырезать определённым образом пластинку и поместить её
между двумя электродами, то при сжатии кварцевой пластинки на электродах
появятся равные по величине, но различные по знаку заряды.
Если изменить направление силы, действующей на пластинку (вместо того
чтоб сдавить кварц его будут растягивать), то изменяются и знаки зарядов на
электродах: на том электроде, где при сжатии возникал положительный заряд,
при растяжении появится отрицательный. При этом, чем больше сила, сжимающая
или растягивающая пластинку, тем больше и величина зарядов, возникающая на
электродах.
В середине XIX в. были также обнаружены диэлектрики, которые подобно
остаточной поляризацией. Такие диэлектрики по аналогии с термином «магнит»
назвали электретами.
Самое характерное свойство электретов - способность нести на своих
противоположных сторонах заряды различного знака, которые могут сохраняться
в течение весьма длительного времени. Так, для электретов из карнаубского
воска и его смесей это время составляет годы, керамические электреты
сохраняют заряд в течение двух лет, электреты из полимеров имеют время
жизни месяцы.
Объяснить этот обширный экспериментальный материал об электрических
свойствах диэлектриков стало возможным тогда, когда появилась теория,
объясняющая строение твёрдых тел, связи между их структурными частицами.
Есть такие твёрдые тела, у которых центры положительных и
отрицательных зарядов отдельных атомов или молекул совпадают.
Если такие вещества поместить в электрическое поле, то возникает
«электрическая деформация» структурных частиц, т.е. электрическое поле
смещает электрические заряды, входящие в состав диэлектрика, от тех
положений, которые они занимали в отсутствие поля. Так, например, если
диэлектрик состоит из нейтральных атомов, то в присутствии поля их
электронные оболочки смещаются относительно положительно заряжённых ядер.
Если кристаллическая решётка твёрдого тела состоит из положительно и
отрицательно заряжённых ионов, например, решетка NaCl, то в электрическом
поле ионы равных знаков смещаются относительно друг друга. В результате
упругого смещения каждой пары зарядов образуется система, обладающая
некоторым дополнительным моментом p=ql, а весь диэлектрик поляризуется.
Поляризация диэлектрика численно характеризуется дипольным моментом
единицы объёма Р, который равен произведению числа элементарных диполей N,
содержащих в единице объёма вещества, на величину момента элементарного
диполя.Что дипольный момент единицы объёма диэлектрика пропорционален
напряжённости электрического поля внутри диэлектрика.
Помимо неполярных диэлектриков, существует большой класс диэлектриков,
молекула которых и при отсутствии внешнего электрического поля обладают
дипольным моментом. Постоянный дипольный момент могут иметь многие
молекулы, у которых центры симметрии составляющих их положительных и
отрицательных зарядов не совпадают друг с другом. Типичными представителями
полярного твёрдого диэлектрика служат лед, твердая соляная кислота,
органическое стекло и др.
При помещении полярного диэлектрика в электрическое поле происходит
ориентация полярных молекул так, чтобы их оси совпадали с направлением
линий напряжённости электрического поля. Однако тепловое движение частиц
вещества препятствует такой ориентации. В результате действия поля и
теплового движения устанавливается равновесное состояние, при котором
полярные молекулы приобретают в среднем некоторую направленную ориентацию,
а весь диэлектрик благодаря этому приобретает дипольный момент в
направлении поля, т.е. поляризуется.
Рассмотренный вид поляризации называют ориентационной или дипольной. В
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
