Un corp solid este una dintre cele patru stări agregate de bază ale materiei , care diferă de alte stări agregate ( lichide , gaze , plasme ) prin stabilitatea formei sale și prin natura mișcării termice a atomilor care produc mici vibrații în jurul pozițiilor de echilibru . 1] .
Distingeți solidele cristaline și amorfe . Ramura fizicii care studiază compoziția și structura internă a solidelor se numește fizica stării solide . Modul în care un corp rigid își schimbă forma la impact și mișcare este studiat de o disciplină separată - mecanica corpului solid (deformabil) . Mișcarea unui corp absolut rigid este tratată de a treia știință - cinematica unui corp rigid .
Dispozitivele tehnice create de om folosesc diverse proprietăți ale unui corp solid. În trecut, un corp solid era folosit ca material structural, iar utilizarea sa bazat pe proprietăți mecanice direct tangibile, cum ar fi duritatea , masa , plasticitatea , elasticitatea , fragilitatea . În lumea modernă, utilizarea unui corp solid se bazează și pe proprietăți fizice care se găsesc adesea doar în studiile de laborator.
Solidele pot fi în stare cristalină și amorfă . Cristalele se caracterizează prin periodicitate spațială în aranjarea pozițiilor de echilibru ale atomilor [1] , care se realizează prin prezența unui ordin cu rază lungă [2] și se numește rețea cristalină . Forma naturală a cristalelor este poliedrele regulate [3] . În corpurile amorfe, atomii vibrează în jurul punctelor situate aleatoriu [1] , le lipsește ordinea pe distanță lungă, dar se păstrează ordinea pe distanță scurtă , în care moleculele sunt aranjate coordonat la o distanță comparabilă cu dimensiunea lor. Un caz special al stării amorfe este starea sticloasă [2] . Conform conceptelor clasice, o stare stabilă (cu un minim de energie potențială ) a unui corp solid este cristalină. Un corp amorf este într-o stare metastabilă și trebuie să treacă într-o stare cristalină în timp, dar timpul de cristalizare este adesea atât de lung încât metastabilitatea nu se manifestă deloc. Un corp amorf poate fi considerat ca un lichid cu o vâscozitate foarte mare (adesea infinit de mare) [2] .
Proprietățile unui corp solid și mișcarea particulelor în el sunt studiate în secțiunea de fizică , care se numește fizica stării solide (o subsecțiune a fizicii materiei condensate ). Fizica stării solide este o disciplină științifică independentă, cu metode de cercetare și aparate matematice specifice. Dezvoltarea sa este dictată de nevoi practice [2] . În funcție de obiectul de studiu, fizica stării solide este împărțită în fizica metalelor , semiconductorilor , magneților și altele. Conform metodelor de cercetare, se disting analiza structurală cu raze X , spectroscopia radio și altele asemenea. În plus, există o diviziune asociată cu studiul anumitor proprietăți (mecanice, termice și așa mai departe) [1] [2] .
Știința materialelor se ocupă în principal de probleme legate de proprietățile solidelor, cum ar fi duritatea , rezistența la tracțiune , rezistența materialului la sarcini, precum și transformările de fază . Acest lucru coincide în mare măsură cu întrebările studiate de fizica stării solide. Chimia în stare solidă acoperă problemele luate în considerare de ambele ramuri ale cunoașterii, dar afectează mai ales problemele sintetizării materialelor noi.
Proprietățile electrice și alte proprietăți ale solidelor sunt determinate în principal de natura mișcării electronilor exteriori ai atomilor săi [1] . Există cinci clase de solide în funcție de tipul de legătură dintre atomi [2] :
În funcție de tipul structurii benzii, solidele sunt clasificate în conductori , semiconductori și dielectrici .
După proprietăți magnetice, solidele sunt împărțite în diamagneți , paramagneți și corpuri cu o structură magnetică ordonată [1] . Proprietățile diamagnetice, care depind slab de starea de agregare sau temperatură, sunt de obicei suprapuse de cele paramagnetice, care sunt o consecință a orientării momentelor magnetice ale atomilor și electronilor de conducere. Conform legii Curie, susceptibilitatea paramagnetică scade invers cu temperatura și la o temperatură de 300 K este de obicei 10 −5 . Paramagneții se transformă în feromagneți , antiferomagneți sau ferimagneți pe măsură ce temperatura scade [2] .
În ciuda faptului că solidele (metale, minerale) au fost studiate de mult timp, un studiu cuprinzător și sistematizarea informațiilor despre proprietățile lor a început în secolul al XVII-lea. De atunci, au fost descoperite o serie de legi empirice care descriu influența forțelor mecanice asupra unui corp solid, schimbările de temperatură, lumină, câmpuri electromagnetice etc. S-au formulat următoarele:
Deja în prima jumătate a secolului al XIX-lea au fost formulate principalele prevederi ale teoriei elasticității, care se caracterizează prin ideea unui corp solid ca mediu continuu .
O viziune holistică asupra structurii cristaline a solidelor, ca o colecție de atomi, a căror plasare ordonată în spațiu este asigurată de forțele de interacțiune, a fost formată de Auguste Bravais în 1848, deși primele idei de acest fel au fost exprimate în tratate ale lui Nicholas Steno (1669), Rene Just Gayuy (1784), Isaac Newton în lucrarea sa „ Principii matematice ale filosofiei naturale ” (1686), în care era calculată viteza sunetului într-un lanț de particule legate elastic, Daniel Bernoulli ( 1727), Augustin Louis Cauchy (1830) și alții.
Când temperatura crește, solidele devin lichide sau gazoase. Trecerea unui solid într-un lichid se numește topire , iar trecerea la starea gazoasă, ocolind lichidul, se numește sublimare . Trecerea la un corp solid (cu o scădere a temperaturii) este cristalizare , la o fază amorfă - vitrificare .
Există și tranziții de fază între fazele solide, în care structura internă a solidelor se modifică, devenind ordonată pe măsură ce temperatura scade.
La presiunea atmosferică și temperatura T > 0 K, toate substanțele din natură se solidifică. Excepție este heliul , pentru a cărui cristalizare este necesară o presiune de 24 atm [2] .
Sub proprietățile fizice ale solidelor se înțelege comportamentul lor specific sub influența anumitor forțe și câmpuri. Există trei moduri principale de influențare a solidelor, corespunzătoare celor trei tipuri principale de energie: mecanică , termică și electromagnetică . În consecință, există trei grupuri principale de proprietăți fizice.
Proprietățile mecanice conectează solicitările mecanice și deformațiile unui corp, conform rezultatelor studiilor ample ale proprietăților mecanice și reologice ale solidelor, efectuate de școala academicianului P. A. Rebinder , pot fi împărțite în elastic, rezistență, reologice și tehnologice. În plus, atunci când lichidele sau gazele acționează asupra solidelor, apar proprietățile lor hidraulice și gazodinamice .
Proprietățile termice sunt proprietăți care sunt influențate de câmpurile termice. Proprietățile radiațiilor, care se manifestă atunci când un corp solid este expus la fluxuri de microparticule sau unde electromagnetice de rigiditate semnificativă (raze X, raze gamma), pot fi atribuite în mod condiționat proprietăților electromagnetice.
Cel mai ușor material solid cunoscut este aerogelul . Unele tipuri de aerogel au o densitate de 1,9 mg /cm³ sau 1,9 kg /m³ (1/530 din densitatea apei).
În repaus, solidele își păstrează forma, dar se deformează sub influența forțelor externe. În funcție de mărimea forței aplicate, deformația poate fi elastică, plastică sau distructivă. În deformarea elastică, corpul revine la forma sa inițială după îndepărtarea forțelor aplicate. Răspunsul unui corp solid la forța aplicată este descris de modulii de elasticitate . O trăsătură distinctivă a unui solid în comparație cu lichidele și gazele este că rezistă nu numai la tensiune și compresie, ci și la forfecare , încovoiere și torsiune .
În timpul deformării plastice, forma inițială nu este păstrată. Natura deformării depinde și de timpul în care acționează forța externă. Un corp solid se poate deforma elastic sub acțiune instantanee, dar plastic dacă forțele externe acționează pentru o perioadă lungă de timp. Acest comportament se numește creep . Una dintre caracteristicile deformării este duritatea corpului - capacitatea de a rezista la pătrunderea altor corpuri în el.
Fiecare corp solid are pragul său inerent de deformare , după care are loc distrugerea. Proprietatea unui corp solid de a rezista distrugerii este caracterizată de rezistență . Când sunt fracturate, apar fisuri și se propagă într-un corp solid , ceea ce duce în cele din urmă la o fractură.
Proprietățile mecanice ale unui solid includ și capacitatea sa de a conduce sunetul , care este o undă care transferă deformarea locală dintr-un loc în altul. Spre deosebire de lichide și gaze, nu numai undele sonore longitudinale, ci și cele transversale se pot propaga într-un corp solid, ceea ce este asociat cu rezistența unui corp solid la deformarea prin forfecare. Viteza sunetului în solide este în general mai mare decât în gaze, în special în aer, deoarece interacțiunea interatomică este mult mai puternică. Viteza sunetului în solidele cristaline este caracterizată de anizotropie , adică dependență de direcția de propagare.
Cea mai importantă proprietate termică a unui solid este punctul său de topire , temperatura la care are loc trecerea la starea lichidă. O altă caracteristică importantă a topirii este căldura latentă de fuziune . Spre deosebire de cristale, în solidele amorfe, trecerea la o stare lichidă odată cu creșterea temperaturii are loc treptat. Se caracterizează prin temperatura de tranziție sticloasă - temperatura peste care materialul își pierde aproape complet elasticitatea și devine foarte plastic.
O schimbare a temperaturii determină deformarea unui corp solid, în principal o creștere a temperaturii duce la expansiune. Cantitativ, se caracterizează prin coeficientul de dilatare termică . Capacitatea termică a unui solid depinde de temperatură, în special la temperaturi scăzute, dar la temperatura camerei și mai sus, multe solide au o capacitate termică aproximativ constantă ( legea Dulong-Petit ). Trecerea la o dependență stabilă a capacității termice de temperatură are loc la temperatura Debye caracteristică fiecărui material . De temperatură depind și alte caracteristici ale materialelor solide, în special cele mecanice: plasticitate, fluiditate, rezistență, duritate.
În funcție de mărimea rezistivității, solidele sunt împărțite în conductori și dielectrici , o poziție intermediară între care este ocupată de semiconductori . Semiconductorii au conductivitate electrică scăzută, dar tind să crească odată cu temperatura. Proprietățile electrice ale solidelor sunt legate de structura lor electronică. Dielectricii au un interval în spectrul energetic al electronilor, care în cazul solidelor cristaline se numește band gap. Acesta este intervalul de valori energetice pe care electronii dintr-un solid nu le pot avea. În dielectrice, toate stările electronice de sub gol sunt umplute și, datorită principiului Pauli, electronii nu pot trece de la o stare la alta, ceea ce este motivul lipsei de conductivitate. Conductivitatea semiconductorilor este foarte dependentă de impurități - acceptori și donatori .
Există o anumită clasă de solide care se caracterizează prin conductivitate ionică . Aceste materiale sunt numite superionice . Practic, acestea sunt cristale ionice , în care ionii de un tip se pot mișca destul de liber între rețeaua neclintită a ionilor de alt tip.
La temperaturi scăzute, unele solide sunt caracterizate de supraconductivitate - capacitatea de a conduce curentul electric fără rezistență.
Există o clasă de solide care pot avea polarizare spontană - piroelectrice . Dacă această proprietate este caracteristică doar uneia dintre faze, care există într-un anumit interval de temperatură, atunci astfel de materiale sunt numite feroelectrice . Piezoelectricele se caracterizează printr-o relație puternică între polarizare și deformarea mecanică.
Feromagneții se caracterizează prin existența unui moment magnetic spontan .
Proprietățile optice ale solidelor sunt foarte diverse. Metalele, în general, au o reflectare mare a luminii în regiunea vizibilă a spectrului, mulți dielectrici sunt transparenți, cum ar fi sticla. Adesea, culoarea unui anumit solid se datorează impurităților care absorb lumina. Pentru semiconductori și dielectrici, fotoconductivitatea este caracteristică - o creștere a conductibilității electrice atunci când este iluminată.
Solidele găsite în natură se caracterizează printr-o mare varietate de proprietăți, care este în continuă creștere. În funcție de sarcinile atribuite unei anumite științe, doar anumite proprietăți ale unui corp solid sunt importante, altele sunt nesemnificative. De exemplu, când se studiază rezistența oțelului, proprietățile sale magnetice nu au o semnificație semnificativă.
Pentru ușurința studiului, corpul real este înlocuit cu unul ideal, evidențiind doar cele mai importante proprietăți pentru cazul în cauză. Această abordare, folosită de multe științe, se numește abstractizare . După evidențierea unui corp idealizat cu o anumită listă de proprietăți esențiale, se construiește o teorie. Fiabilitatea unei astfel de teorii depinde de cât de cu succes idealizarea acceptată reflectă caracteristicile esențiale ale obiectului. Acest lucru poate fi apreciat prin compararea rezultatelor studiilor obținute teoretic pe baza unui model idealizat și experimental.
În mecanica teoretică, o schemă idealizată a unui corp rigid real este un corp absolut rigid, adică unul în care, în orice împrejurare, distanțele dintre orice puncte sunt constante - nici dimensiunea, nici forma corpului nu se modifică.
În teoria elasticității și aplicarea sa aplicată a rezistenței, sunt luate în considerare și modele care iau în considerare și absolutizează proprietățile individuale ale unui corp solid. Astfel, acceptarea condițiilor de omogenitate și continuitate la deformații mici face posibilă aplicarea metodelor de analiză a mărimilor infinitezimale, ceea ce simplifică foarte mult construcția teoriei rezistenței materialelor.
De asemenea, se crede că relația dintre tensiuni și deformații este liniară (vezi legea lui Hooke ).
În teoria plasticității , modelele unui corp solid se bazează pe idealizarea proprietăților de întărire prin deformare sau a proprietăților de fluiditate a solidelor într-o stare de efort-deformare .
| Starile termodinamice ale materiei | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Stări de fază |
| ||||||||||||||||
| Tranziții de fază |
| ||||||||||||||||
| Sisteme disperse | |||||||||||||||||
| Vezi si | |||||||||||||||||