Анізотропія кристалів - це неоднаковість більшості фізичних властивостей речовини в різних напрямах (механічних, теплових, електричних, магнітних, оптичних). Причиною є впорядковане розміщення атомів.
2. Наявність температури плавлення. Кристалічне тіло, досягаючи температури плавлення, починає плавитися. Уся енергія, що підводиться до тіла, витрачається на збільшення потенціальної енергії взаємодії молекул під час руйнування кристалічних решіток, а кінетична енергія молекул стабільна, тому температура тіла під час плавлення не змінюється.
3. Властивості кристала зумовлюються не лише тим, із яких атомів він складається, але й видом кристалічних решіток. Наприклад, із одних і тих же атомів Карбону складаються алмаз і графіт, але фізичні властивості в них різні.
Більшість твердих тіл, які зустрічаються в природі чи виробляються штучно (мінерали, метали, кераміка), має полікристалічну будову.
Полікристали - тверді тіла, які складаються з безлічі безладно орієнтованих дрібних кристалічних зерен - кристалітів (дрібних моно-кристаликів).
Монокристали - великі поодинокі кристали, у яких в межах всього їх об’єму зберігається дальній порядок розташування частинок.
Типи кристалів
Залежно від характеру сил взаємодії і природи частинок у вузлах кристали поділяються на:
1) атомні (Ge, С, Si) - мають міцний ковалентний зв’язок, високу твердість, малу електропровідність. У вузлах решітки знаходяться нейтральні атоми, які утримуються ковалентними зв’язками квантово-механічного походження. Таку будову має кристалічна решітка алмазу;
2) іонні (солі NaCl, AgBr, KJ, СаСO3) - зв’язок між іонами у вузлах зумовлений кулонівськими силами притягання.
3) металеві (метали) - зв’язок забезпечують сили притягання між позитивними іонами і негативним електронним газом. Добрі провідники теплоти й електрики, пластичні, непрозорі;
4) молекулярні (нафталін, парафін, лід Н2O, сухий лід СO2, Вr2, СН4) - зв’язок зумовлений силами міжмолекулярної взаємодії Ван-дер-Ваальса;
5) аморфні тіла (переохолоджені рідини) - пластичні, не мають певної температури плавлення (просто зменшується в’язкість), молекули їх не утворюють кристалічної решітки.
Аморфні тіла у твердому стані мають внутрішню будову, подібну до рідини (тобто існує близький порядок розміщення сусідніх частинок). Залежно від характеру впливу поводяться або як тверді тіла, або як в’язкі рідини. Аморфними також є речовини, які можуть існувати у двох формах: кристалічній та аморфній. Це поліетилен, цукор, скло, каніфоль. Аморфний стан нестійкий. Через деякий час аморфна речовина переходить у кристалічну (скло - мутніє, льодяник - зацукрується).
Аморфні тіла наділені текучістю, тобто із зростанням температури вони поступово розм’якшуються, перетворюючись на в’язку рідину. У цьому виявляється істотна відмінність їх від кристалічних тіл: аморфні тіла не мають певної температури плавлення.
Оскільки в розташуванні атомів або молекул аморфного тіла немає далекого порядку, фізичні властивості аморфного тіла не залежать від напряму, тобто аморфні тіла є ізотропними.
Рідкий кристал - проміжна фаза (мезофаза) між ізотропною рідиною і кристалічним твердим тілом. Рідкі кристали - це флюїди, молекули яких певним чином впорядковані, тобто існує певна симетрія. Отже, існує анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей речовин цього класу. Поєднуючи властивості рідин та твердих тіл (текучість, анізотропія), рідкі кристали проявляють специфічні ефекти, багато з яких не спостерігаються у рідинах і твердих тілах. Зокрема, в рідких кристалах спостерігається подвійне променезаломлення, флексоелектричний ефект, перехід Фредерікса.
Застосування рідких кристалів
Найпопулярніше поле для використання рідких кристалів - рідкокристалічні дисплеї. Принцип дії таких пристроїв заснований на ефекті електричного переходу Фредерікса - переорієнтації молекул рідкого кристалу в комірці за наявності прикладеної до цієї комірки напруги.
Крім цього, рідкі кристали застосовують під час виготовлення термодавачів, детекторів НВЧ-випромінювання тощо.
Полімери (грец. πολύ- - «багато» + μέρος - «частина»; буквально - «багатоскладовий») - природні та штучні високомолекулярні сполуки, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних однакових або різних атомних угруповань (мономерів), з'єднаних хімічними або координаційними зв'язками у довгі лінійні або розгалужені ланцюги.
Фізичні властивості
Полімери - здебільшого аморфні речовини. Довгі ланцюжки та велика молекулярна маса не дозволяють полімерам переходити до рідкого стану (швидше настає хімічний розпад). Проте у разі підвищення температури з полімерами відбуваються зміни — вони розм’якають і стають дуже пластичними. Температура переходу від крихкого стану до пластичного називається температурою склування. Температура склування не є чітко визначеною температурою фазового переходу, а радше вказує на температурний діапазон, у якому відбуваються зміни. За низьких температур полімери є досить крихкими матеріалами.
Здебільшого використовуються механічні властивості полімерів. За температури, вищої за температуру склування, їх неважко пресувати в довільну форму, застигаючи, вони зберігають форму й можуть слугувати для інкапсуляції та інших цілей. Проте спряжені полімери дедалі частіше використовуються як органічні напівпровідники.
Полімерні матеріали мають комплекс характеристик, які в разі умілого їх використання забезпечують ефективні експлуатаційні властивості виробів та рентабельність їх виробництва. До основних переваг полімерів відносять:
• високу технологічність, завдяки якій з виробничого циклу можна вилучити трудомісткі та коштовні операції механічної обробки виробів;
• мінімальну енергомісткість, обумовлену тим, що температура переробки цих матеріалів складає, як правило, 150-250 °С, що значно нижче ніж у металів та кераміки;
• можливість отримання за один цикл формування відразу декілька виробів, у тому числі складної конфігурації, а під час виробництва погонажних виробів вести процес на великих швидкостях;
• автоматизацію практично всіх процесів переробки.
17. Термодинаміка. …
В основі термодинаміки лежить поняття внутрішньої енергії U. З погляду молекулярно-кінетичної теорії речовини внутрішня енергія макроскопічного тіла термодинамічної системи дорівнює сумі кінетичних енергій неперервного теплового руху всіх молекул (атомів) відносно центра мас тіла і потенціальних енергій взаємодії всіх молекул одна з одною. Обчислити U, враховуючи мікропараметри майже неможливо, тому для її вираження використовують макропараметри термодинамічної системи.
де m - маса всього газу; m - молярна маса; R - універсальна газова стала; T - термодинамічна температура; p - тиск газу; V - об'єм газу.
Внутрішню енергію термодинамічної системи можна змінити двома способами: виконанням роботи; теплопередачею.
Теплопередачею або теплообміном називають процес передачі енергії від одного тіла до іншого без виконання роботи. Теплопередача може відбуватися такими способами: теплопровідність; випромінювання; конвекція (перемішування).
Кількісну міру зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну називають кількістю теплоти Q.
Якщо теплота передана тілу в результаті нагрівання чи охолодження, то експериментально встановлено, що Q = cm(T2 - T1), де c - питома теплоємність.
Розглянемо інший спосіб зміни внутрішньої енергії термодинамічної системи - виконанням роботи. Виконання роботи в термодинаміці пов'язане зі зміною об'єму термодинамічної системи. Визначається:
A = pΔV.
де ΔV - зміна об'єму газу.
Формула справедлива для будь-якого процесу, під час якого об'єм газу змінюється на досить малу величину ΔV.
Механічний еквівалент теплоти - кількість роботи, еквівалентна одиниці кількості переданої в процесі теплообміну теплоти (калорії або кілокалорії). Дане поняття виникло у зв'язку з тим, що історично механічну роботу і кількість теплоти вимірювали в різних одиницях. У Міжнароднійсистемі одиниць (СІ) немає необхідності користуватися цим поняттям, в цій системі прийнята одна одиниця для вимірювання як роботи, так і кількості переданої теплоти - джоуль. 1 Дж=0,239 кал.
Перший закон термодинаміки: зміна U системи під час її переходу з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил A' і кількості теплоти, що передається системі Q:
ΔU = A' + Q.
Якщо система ізольована, то вираз першого закон термодинаміки набуде вигляду
Q = ΔU + A.
Отже, кількість теплоти Q, що передається системі, витрачається на зміну її внутрішньої енергії U і на виконання системою роботи над зовнішніми тілами.
За допомогою першого закону термодинаміки можна робити важливі висновки про характер процесів, що відбуваються. Розрізняють різні процеси, під час перебігу яких одна з фізичних величин залишається незмінною (ізопроцеси).
Якщо термодинамічною системою є ідеальний газ і його об'єм не змінюється, (ізохорний процес), то A' = 0, а зміна внутрішньої енергії дорівнюватиме кількості теплоти: ΔU = Q.
Ізотермічний процес. Якщо T = const внутрішня енергія системи не змінюється. Уся передана газу кількість теплоти витрачається на виконання роботи над зовнішніми тілами: Q = A.
Ізобарний процес. Кількість теплоти Q, передана газу за сталого тиску, витрачається на зміну його внутрішньої енергії і на виконання ним роботи над зовнішніми тілами: Q = ΔU + A.
Адіабатний процес - процес, що відбувається в теплоізольованій системі (немає обміну енергією із зовнішніми тілами). При цьому Q = 0 і змінити внутрішню енергію системи можна лише за рахунок виконання над нею роботи: ΔU = A.
З першого закону термодинаміки випливає неможливість побудови "вічного" двигуна першого роду, бо будь-яка система не може нескінченно довго виконувати роботу без передачі їй теплоти.
Лекція 4-5. Електрика і мегнетизм
18. Електричне поле. …
Навколо кожного електричного заряду існує електричне поле - особливий вид матерії, що існує незалежно від наших знань про нього і має енергію. Електричне поле неперервне в просторі і здатне діяти на інші електричні заряди.
Електричне поле нерухомих зарядів називають електростатичним. Воно не змінюється з часом. Це поле створюється тільки електричними зарядами. Воно існує в просторі, що оточує ці заряди, і нерозривно з ними пов'язане. Головна властивість електричного поля - здатність діяти на внесені в нього електричні заряди з деякою силою. Тому досліджують електричні поля за допомогою пробного точкового заряду.
Напруженістю електричного поля називають фізичну векторну величину, що є силовою характеристикою електричного поля в кожній його точці і чисельно дорівнює відношенню сили, з якою поле діє на точковий заряд, поміщений у цю точку, до значення цього заряду.
Напрям напруженості збігається з напрямом електричної сили, що діє на пробний позитивний заряд в цій точці.
Одиниця напруженості в СІ: [Е]=1 В/м.
Повне уявлення про розподіл поля можна дістати з рисунка, на якому зобразити вектори напруженості, а також показати неперервні лінії, дотичні до яких в кожній точці, через яку вони проходять, збігаються з вектором напруженості. Ці лінії називаються силовими лініями або лініями напруженості
Силові лінії електричного поля точкових зарядів незамкнені. Вони починаються на позитивних електричних зарядах і закінчуються на негативних.
Потенціал - скалярна фізична величина, що є енергетичною характеристикою електричного поля і визначає потенціальну енергію заряду q в довільній точці електричного поля.
У СІ одиниця потенціалу: [φ]=1 В=1 Дж/Кл.
Практичне значення має не сам потенціал, а його зміна. Оскільки Wp=qφ, то робота
A=-ΔWp=-q(φ2-φ1)=q(φ1-φ2)=qU,
де U=(φ1-φ2) - різниця потенціалів або напруга.
Принцип суперпозиції для електричних полів: якщо в заданій точці простору різні заряджені частинки створюють електричні поля напруженістю
тощо, то результуюча напруженість поля в цій точці дорівнює геометричній сумі напруженостей полів частинок, тобто:
Потенціал в довільній точці поля визначають як суму потенціалів, створених окремими точковими зарядами:
φ=φ1+φ2+…+φn.
Знаючи потенціал в кожній точці поля, можна знайти напруженість поля. Між напруженістю електростатичного поля E і напругою існує зв'язок.
Ця формула показує:
1) чим менше змінюється потенціал на відстані d, тим меншою є напруженість електричного поля;
2) якщо потенціал не змінюється, то напруженість дорівнює нулю;
3) напруженість електричного поля напрямлена в бік зменшення потенціалу.
19. Електрична ємність провідника. …
Під час зарядження двох провідників між ними виникає різниця потенціалів чи напруга. Із підвищенням напруги електричне поле між провідниками підсилюється.
Чим меншим є зростання напруги між провідниками зі збільшенням заряду, тим більший заряд можна накопичити. Величину, яка характеризує здатність провідників накопичувати електричний заряд, називають електроємністю. Напруга U між двома провідниками пропорційна величині електричних зарядів, утворених на провідниках. Тому відношення заряду q одного з провідників до різниці потенціалів між цими провідниками не залежить від заряду. Воно визначається геометричними розмірами провідників, їх формою і взаємним розміщенням та електричними властивостями навколишнього середовища (діелектричною проникністю).
Це дозволяє ввести поняття електроємності двох провідників. Електроємністю двох провідників називають відношення заряду одного з провідників до різниці потенціалів між цим провідником і сусіднім:
У СІ одиниця вимірювання електроємності - фарад: [C]=Кл/В=Ф.
Велику електроємність мають системи з двох заряджених провідників, які називають конденсаторами.
Конденсатор складається з двох заряджених провідників, розділених шаром діелектрика. Так, наприклад, дві плоскі металеві пластини, розміщені паралельно одна одній і розділені шаром діелектрика, утворюють плоский конденсатор.
Електроємність плоского конденсатора прямо пропорційна площі обкладок і обернено пропорційна відстані між обкладками:
Електроємність сферичного конденсатора (являє собою систему двох провідних концентричних сферичних обкладок радіусами
): 
Електроємність батареї послідовно з'єднаних конденсаторів:
Електрична ємность батареї паралельно з'єднаних конденсаторів:
C=C1+C2+…+Сn.
1 2 3 4 5 6 7