КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И АМОРФНЫЕ ТЕЛА.

Твердые тела делятся на две группы: кристаллические и аморфные.

Внешним признаком кристаллических тел является их правильная геометрическая форма. В кристаллах одного и того же вещества углы между соответственными гранями всегда одинаковы (закон постоянства углов).

Эта правильность объясняется их упорядоченным внутренним строением.

Структурными элементами кристаллов могут быть молекулы (устойчивость определяется силами молекулярного притяжения), атомы (объединяются с помощью ковалентных связей), ионы (осуществляется ионная связь).

Атомы металлов обобществляют валентные электроны, образующие электронный газ. Эти электроны и удерживают положительные ионы металла в узлах кристаллической решетки.

Структурные элементы кристаллов колеблются около положений равновесия, причем, положения равновесия образуют кристаллическую решетку - пространственную сетку, узлы которой образованы центрами равновесия структурных элементов. Основой кристалла является элементарная ячейка - фигура наименьшего размера, переносом которой можно построить весь кристалл. В зависимости от строения элементарной ячейки, кристаллические решетки бывают разных типов, отличающихся по степени упакованности структурных элементов (гексагональная призма, куб, объемоцентрированный куб, гранецентрованный куб и т.д.).

Кристаллы обладают неодинаковостью физических свойств по разным направлениям - анизотропией. Так, по разным направлениям в кристалле неодинакова теплопроводность, прочность, коэффициент линейного расширения, электрические свойства, оптические свойства кристаллов.

Именно анизотропия является главным признаком кристаллических тел.

Кристаллы имеют одну или несколько плоскостей симметрии, оси симметрии, центр симметрии.

Кристаллическое тело, состоящее из одного кристалла, называется монокристаллом. Тело, состоящее из многих маленьких кристалликов, называется поликристаллическим. Поликристаллы изотропны, т.е. их физические свойства по разным направлениям одинаковы. Это объясняется тем, что маленькие анизотропные кристаллики этих тел в большом теле расположены беспорядочно и физические свойства тела по разным направлениям выравниваются.

Одни и те же структурные элементы могут образовывать разные кристаллические решетки (например, атомы углерода слагают и алмаз, и графит). Это явление называется полиморфизмом.

Аморфные тела изотропны, т.е. их свойства по разным направлениям одинаковы. Это говорит о том, что у аморфных тел нет упорядоченного внутреннего строения. У аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет температуры плавления, они обладают текучестью. Иногда говорят, что аморфные тела - это жидкости с большой вязкостью. Через некоторое время, часто очень большое, аморфное тело становится кристаллическим.

В реальных кристаллах наблюдается громадное количество отклонений от идеальной структуры, называемых дефектами кристаллических решеток. Механические свойства кристаллов зависят от точечных и линейных дефектов в них. Точечные дефекты вызывает атом примеси, замещающий в кристалле один из его структурных элементов (примесный атом), атом примеси, введенный в решетку без замены структурного элемента (междоузельный атом), недостаток в решетке одного из структурных элементов (вакансия). К линейным дефектам (дислокациям) относится краевая дислокация, когда в кристалле присутствует лишняя полуплоскость, винтовая дислокация, при которой из - за сдвига плоскостей все атомы кристалла оказываются расположенными на одной " плоскости", свернутой в спираль.

Диаграмма фазовых состояний.

Процессы, при которых происходит изменение агрегатных состояний вещества, называются фазовыми переходами. Переход вещества из одной фазы в другую при заданном давлении происходит всегда при строго определенной температуре. Во время фазового перехода две фазы существуют одновременно, находясь в тепловом равновесии. Если нет подвода тепла, то две фазы будут в тепловом равновесии при температуре фазового перехода неограниченно долго. Если изменить давление, то изменится и температура фазового перехода. Значит сосуществование двух фаз в равновесии происходит лишь при строго определенном соотношении между давлением и температурой. Если изобразить эту зависимость в виде кривой в системе координат P - T, то получится диаграмма состояний.

Давление насыщенного пара растет с ростом температуры. => Температура кипения повышается с ростом давления. Значит, граница жидкость - газ идет слева снизу вправо - вверх.

Существует особая точка - критическая. При приближении к ней по границе Ж - Г свойства жидкостей и газов отличаются все меньше и меньше. В критической точке отличия исчезают. Существование на кривой равновесия жидкости и пара критической точки говорит о том, что нет принципиальной разницы в строении между жидким и газообразным состояниями вещества.

Температура плавления слабо зависит от давления, поэтому граница твердое состояние - жидкость идет почти вертикально. На этой границе отсутствует критическая точка. Это объясняется тем, что твердое кристаллическое тело имеет упорядоченную структуру, чем принципиально отличается от жидкостей и газов. Кристалл анизотропен. Переход через границу Т - Ж не может быть произведен непрерывным образом, как это можно сделать для жидкости и газа в обход критической точки. Всегда можно точно указать, к какой фазе жидкой или кристаллической - относится то или иное состояние вещества.

Граница Т - Ж может существовать в трех вариантах. Обычный вариант - 1. Температура плавления растет с ростом давления. Для некоторых веществ (висмут, отдельные сорта чугуна) температура плавления с ростом давления падает (вариант 2). Для воды температура плавления падает до Р=2× 10⁸Па, а затем растет
(вариант 3).

Для всех веществ (кроме гелия) имеется тройная точка - такая совокупность параметров, при которой сосуществуют все три фазы.

Если Т< T_тр; P< P_тр, то жидкое состояние невозможно, возможны только твердое и газообразное состояния. => Существует граница твердое состояние - газ. А так как при низких температурах, далеких от критической (Т< < T_к), различие между жидким и твердым состояниями гораздо меньше, чем между ними и газом, поведение границы Т-Г похоже на поведение границы Ж - Г.

Тройная точка воды соответствует давлению 4, 62мм рт.ст. и температуре +0, 01⁰С. Эта точка очень удобна в качестве реперной точки температурной шкалы, т.к. ее воспроизведение, в отличие от точки кипения и точки плавления, не требует специального поддержания определенного давления.

Кривая Т-Г уходит в начало координат, т.к. при понижении температуры тепловое движение уменьшается и прекращается при OК.

Неподвижные атомы занимают положения с минимумом потенциальной энергии, представляющие собой правильную кристаллическую решетку, т.е. вещество будет кристаллическим.

Диаграмма состояний позволяет сразу ответить на вопрос, что произойдет с веществом при его нагревании или сжатии.

 

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА. ЗАКОН КУЛОНА.

О телах, способных взаимодействовать с определенными силами, во много раз превосходящими гравитационные, говорят, что они обладают электрическим зарядом. Существуют два рода электрических зарядов, которые условно названы положительными и отрицательными. При трении стекла о кожу на стекле возникают положительные заряды, на коже - отрицательные. При взаимодействии одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. На этом свойстве электрических зарядов основано действие простейшего электроизмерительного прибора - электроскопа, два бумажных лепестка которого при сообщении им заряда расходятся на тем больший угол, чем больший заряд им сообщили. Электрический заряд - одна из фундаментальных характеристик элементарных частиц. И как неуничтожима и несотворима в любых процессах материя, так не создается и не исчезает электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда: АЛГЕБРАИЧЕСКАЯ СУММА ЗАРЯДОВ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ПОСТОЯННА.

Суммарный заряд системы не изменяется при рождении и исчезновении частиц, т.к. они рождаются и исчезают парами, причем одна из частиц имеет положительный заряд, а другая равный ему отрицательный.

Единица электрического заряда вводится через единицу силы тока, принятую в СИ за основную. [q]=Кл. Кулон - заряд, который протекает за 1 с. через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А.

Электрические заряды взаимодействуют на расстоянии через материальную среду, называемую электростатическим полем. Источниками электростатических полей являются неподвижные электрические заряды.

Классические эксперименты Йоффе и Милликена по удержанию в электростатическом поле заряженных пылинок цинка и капелек масла, показали, что всякий конечный заряд равен целому числу так называемых элементарных зарядов. q=ne. Наименьший (элементарный) свободный электрический заряд равен 1, 6× 1О^-19Кл. Элементарным электрическим зарядом обладают заряженные элементарные частицы. Например, протон - +e, электрон - -e. Надо отметить, что многие элементарные частицы не обладают электрическим зарядом.

На основании электронной теории строения вещества процесс электризации трением состоит в том, что часть электронов с одного тела переходит на другое тело. При этом оба тела электризуются равными по модулю и противоположными по знаку зарядами. Если два тела с равными разноименными зарядами привести в соприкосновение, избыток электронов с отрицательно заряженного тела переходит на положительно заряженное и оба тела становятся электрически нейтральными.

Часть физики, в которой изучаются неподвижные электрические заряды, называется ЭЛЕКТРОСТАТИКОЙ. Основой электростатики является закон Кулона, полученный Ш.Кулоном в 1785 г. в опытах с крутильными весами. На тонкой упругой нити О крутильных весов подвешено коромысло с двумя одинаковыми шариками. Такой же заряженный шарик вводился через крышку прибора. Силу взаимодействия шариков можно определить по углу закручивания нити. Величину заряда можно изменять, снимая заряд с одного из взаимодействующих шариков и деля оставшийся заряд пополам. Поворачивая нить, можно изменять расстояния между зарядами.

Кулон установил, что СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВУХ ТОЧЕЧНЫХ НЕПОДВИЖНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫ ПРОИЗВЕДЕНИЮ МОДУЛЕЙ ЗАРЯДОВ, ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫ КВАДРАТУ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ НИМИ И НАПРАВЛЕНЫ ПО ПРЯМОЙ ИХ СОЕДИНЯЮЩЕЙ. Точечными зарядами называются заряды, находящиеся на телах, линейными размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними.

,

где k - коэффициент пропорциональности, e- диэлектрическая проницаемость среды, т.е. число, показывающее во сколько раз сила взаимодействия зарядов в данной среде меньше, чем в вакууме. e вакуума равна 1.

Физический смысл коэффициента пропорциональности в законе Кулона: это сила взаимодействия в вакууме точечных зарядов по 1 Кл на расстоянии 1 м друг от друга.

Экспериментально установлено, что k=9× 1О⁹Нм²/Кл².

В СИ коэффициент записывают: . Следовательно,

,

где e₀ - электрическая постоянная, равная
8, 85× 1О^-12Кл²/Нм².

По закону Кулона можно определять только силы взаимодействия точечных зарядов и заряженных шаров. Но любые два протяженных заряда можно разбить на заряженные материальные точки, вычислить и сложить все их силы взаимодействия.

Силы, возникающие между точечными зарядами, являются центральными, т.е. направлены вдоль прямой, соединяющей центры зарядов.

 

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ.

Объяснение механизма взаимодействия зарядов породило две теории: теорию близкодействия, в которой передача взаимодействия - это процесс в какой - то материальной среде, осуществляющийся с конечной скоростью, и теорию дальнодействия, которая подразумевает непосредственное действие одного заряда на другой без посредства каких - либо промежуточных материальных звеньев. Передача взаимодействия при этом должна происходить бесконечно быстро. Фарадей выдвинул гипотезу о существовании электростатических полей, передающих взаимодействие зарядов. Она была описана математически Максвеллом и была блестяще подтверждена опытами Герца.

Неподвижный электрический заряд изменяет свойства окружающего его пространства, создавая в нем особый вид материи - электростатическое поле. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ НАЗЫВАЮТ ПОЛЕ НЕПОДВИЖНЫХ ЗАРЯДОВ, НЕ ИЗМЕНЯЮЩЕЕСЯ СО ВРЕМЕНЕМ. На всякий заряд, внесенный в электростатическое поле, действует кулоновская сила. Взаимодействие между зарядами осуществляется через материальную среду - электростатическое поле.

Электростатическое поле обладает энергией, т.к. способно совершать работу по перемещению находящихся в нем зарядов. Оно потенциально, т.е. работа сил электростатического поля на замкнутом пути равна нулю. Передача взаимодействия между зарядами - это определенный процесс в пространстве, длящийся конечное время. Электромагнитные сигналы распространяются в пространстве со скоростью света. Электростатическое поле - это самостоятельная физическая реальность, не сводящаяся ни к тепловым, ни к механическим явлениям.

Сила, действующая на пробный заряд, помещенный в электростатическое поле, прямо пропорциональна величине этого заряда. Отношение же этой силы к величине внесенного в поле заряда не зависит от величины этого заряда и может служить характеристикой электростатического поля в месте нахождения пробного заряда. ВЕЛИЧИНА, ИЗМЕРЯЕМАЯ СИЛОЙ, КОТОРАЯ ДЕЙСТВОВАЛА БЫ НА ЕДИНИЧНЫЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД, ПОМЕЩЕННЫЙ В ДАННУЮ ТОЧКУ ПОЛЯ, НАЗЫВАЕТСЯ НАПРЯЖЕННОСТЬЮ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЭТОЙ ТОЧКЕ.

Напряженность не зависит от величины пробного заряда и от его знака. Она является силовой характеристикой поля. Зная напряженность поля, можно рассчитать силу, действующую на помещенный в данную точку заряд. Надо оговориться, что заряд в 1Кл очень велик, его невозможно накопить на маленьком теле. Поэтому напряженность определяют, помещая маленький пробный заряд в поле и находя отношение силы, действующей на него со стороны поля, к величине пробного заряда. Направление напряженности в точке совпадает с направлением силы, действующей на маленький пробный положительный заряд, внесенный в эту точку.

Если поле создано совокупностью зарядов, напряженность результирующего поля равна векторной сумме напряженностей составляющих полей в данной точке. В этом состоит принцип суперпозиции полей.

Для графического изображения поля используют линии напряженности (силовые линии).Линия напряженности - это линия, касательная к которой в каждой точке совпадает по направлению с вектором напряженности в этой точке. Через каждую точку поля может проходить только одна линия. В противном случае, в месте пересечения линий, существовало бы два направления суммарной напряженности. Линии напряженности начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах и направлены от «+» к «-». Линии напряженности могут подходить сколь угодно близко к точечному заряду, но не могут его касаться.

Картину силовых линий можно сделать видимой, используя, например, манную крупу в растительном масле. Частицы крупы, поляризуясь в электростатическом поле, выстраиваются по силовым линиям. Силовые линии перпендикулярны поверхности проводника, находящегося в электростатическом поле. Иначе, вдоль поверхности проводника действовала бы одна из составляющих вектора напряженности электростатического поля, вызывая появление электрического тока по проводнику, что противоречило бы закону сохранения энергии.

Электростатическое поле, напряженность которого одинакова во всех точках, называется однородным. Его можно создать, например, между двумя параллельными пластинами с равными по модулю и противоположными по знаку зарядами, если расстояние между ними значительно меньше размеров самих пластин. Силовые линии однородного поля параллельны друг другу и отстоят друг от друга на равных расстояниях.

. Напряженность однородного поля равна 1 , если потенциал изменяется на 1В на каждом метре силовой линии.

Если поле создается точечным зарядом, то напряженность в любой его точке можно рассчитать, пользуясь законом Кулона.

В точке r=О напряженность поля не определяется - это особая точка поля. Физически это означает, что ни один заряд не является точечным.

Если поле создается заряженным проводящим шаром, то

если ; E=O, если r< R.

Напряженность электростатического поля бесконечной заряженной плоскости

,

где -поверхностная плотность заряда плоскости. .

 

ТЕОРЕМА ГАУССА - ОСТРОГРАДСКОГО.

С помощью силовых линий можно проводить количественный математический анализ электростатических полей. При использовании силовых линий для получения количественных результатов было бы удобно, чтобы число силовых линий, проходящих через каждый квадратный метр нормальной силовым линиям поверхности, численно равнялось бы напряженности электростатического поля в месте нахождения поверхности. Но практически это невозможно сделать. Поэтому поле изображают так, чтобы на каждом заряде начиналось или заканчивалось число линий, пропорциональное его величине. Тогда через каждый квадратный метр нормальных поверхностей будет проходить число силовых линий, пропорциональное напряженности поля.

Напомним, что силовые линии непрерывны, они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, силовые линии не пересекаются.

Выражением непрерывности силовых линий электростатического поля является теорема Гаусса, которую можно получить как следствие закона Кулона и принципа суперпозиции полей. Доказательство основывается на зависимости . Поэтому теорема Гаусса применима к любому физическому полю, где действует закон обратных квадратов и принцип суперпозиции (например, к гравитационному полю).

Скалярная величина называется потоком вектора напряженности через некоторую площадь. Здесь Е - напряженность поля в месте нахождения площадки, S - площадь, через которую проходит поток, i - угол между вектором напряженности и нормалью к площадке. Поток вектора напряженности через некоторую поверхность пропорционален числу силовых линий, проходящих через нее. Принято считать, что нормаль к участку замкнутой поверхности выходит из этой поверхности.

, где Е_n - проекция вектора напряженности на нормаль.

Если поле создается системой из k зарядов, то по принципу суперпозиции: => .

, т.е. поток вектора напряженности электростатического поля через любую замкнутую поверхность складывается из потоков, создаваемых каждым из зарядов, создающих поле.

Рассмотрим произвольную замкнутую поверхность. Если внутри этой поверхности зарядов нет, то число вошедших в нее линий равно числу вышедших. Если число входящих линий будем считать отрицательным, а выходящих положительным, то полный поток напряженности через такую поверхность равен нулю (*). Если внутри поверхности находится заряд, то полное число линий, выходящих из поверхности, пропорционально этому заряду, а значит пропорционален заряду, находящемуся внутри замкнутой поверхности и поток напряженности (**).

Докажем утверждения (*) и (**).

Пусть заряд, создающий поле, находится вне замкнутой поверхности. Рассмотрим два маленьких участка поверхности, отсекаемых узким конусом с вершиной на этом заряде:

,

,

где ;

.

Из подобия конусов:

=>

или .

Подобное уничтожение потоков происходит и для любой другой пары соответствующих участков. Значит, поток через замкнутую поверхность от заряда, находящегося вне этой поверхности, равен нулю.

Если заряд находится внутри замкнутой поверхности, то создаваемый им поток через любую замкнутую поверхность, окружающую этот заряд, равен потоку через сферу, центр которой совпадает с зарядом.

.

Если внутри замкнутой поверхности находится несколько зарядов, то проведя подобные вычисления для каждого заряда и суммируя их результаты, получим вывод, называемый теоремой Гаусса.

ТЕОРЕМА ГАУССА: поток вектора напряженности электростатического поля через произвольную замкнутую поверхность равен полному заряду, заключенному внутри поверхности, деленному на электрическую постоянную.

.

Если заряд находится в среде с диэлектрической проницаемостью e, то

.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. АНТИТЕЛА. СЕРОЛОГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В РЕАЛИЗАЦИИ II ПРИНЦИПА ДИАГНОСТИКИ.
2. Всемирный закон тяготения. Сила тяжести и вес тела.
3. Иммунный ответ организма. Антигены, антитела. Гуморальный и клеточный типы иммунного ответа.
4. ИМПУЛЬС ТЕЛА. ИМПУЛЬС СИЛЫ. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА.
5. КИНЕМАТИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ И ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА.
6. Кинематика твердого тела. Число степеней свободы. Поступательное движение твердого тела.
7. Металлические аморфные пленки
8. Механика твердого тела. Статика твердого тела (общие понятия).
9. НАША ПРОДУКЦИЯ ДЛЯ КРАСОТЫ КОЖИ ЛИЦА И ТЕЛА.
10. Основные положения молекулярно-кинетической теории вещества. Газы, жидкости и твердые тела. Статистический и термодинамический методы исследования.
11. Особая Ценность человеческого тела.