kristaliniai kūnai

Kietiejųjų kūnų savybės

Mokslo ir gamybos pažanga didele dalimi priklauso nuo reikiamas savybes turinčių kietųjų medžiagų, todėl kietojo kūno tyrimams fizikoje skiriamas ypatingas dėmesys. Bemaž puse pasaulio fizikų šiuo metu užsiima kietojo kūno fizika. Jie tiria kietųjų medžiagų struktūrą ir jos ryšį su mechaninėmis, elektrinėmis ir magnetinėmis, optinėmis savybėmis, kietuosiuose kūnuose vykstančius reiškinius.
Kietieji kūnai gali būti kristaliniai arba amorfiniai.
Kristalai (gr. krystallos – ledas, krištolas) – tai kietieji kūnai, kuriems būdinga taisyklinga geometrinė forma; ją lemia periodiškas dalelių išsidėstymas kristalo viduje. Kristalą sudarančių dalelių – atomų, molekulių ar jonų – taisyklingas išsidėstymas periodiškai kartojasi šimtus tūkstančių kartų, todėl sakoma, kad kristaluose yra tolimoji tvarka. Neturintieji kristalinės struktūros kietieji kūnai vadinami amorfiniais (gr. amorphos – beformis). Amorfines medžiagas (vašką, parafiną, gintarą, stiklą) galima laikyti net ne kietaisiais kūnais, o didelio klampumo skysčiais, nes jų dalelių išsidėstymui būdinga tik artimoji tvarka, ir jie turi skysčio savybių (pvz., derva, ilgai veikiama slėgio, teka).
Kristalų susidarymą, vidinę struktūrą ir formą, fizines ir chemines savybes tirianti mokslo šaka vadinama kristalografija.
Kai kurios medžiagos (kvarcas, žėėrutis, deimantas, įvairios druskos) gali sudaryti stambius gražių taisyklingų formų pavienius kristalus – monokristalais (gr. mono – vienas). Tačiau dauguma kietųjų kūnų (metalai cukrus, granitas, gipsas ir kt.) yra sudaryti iš daugybės labai smulkių chaotiškai išsidėsčiusių ir tarpusavyje suaugusių kristaliukų, todėl vadinami po

olikristalais (gr. polys – gausus).
Tyrinėjant įvairias medžiagas, niekados iki šiol nekilo mintis, kad kūno fizikinės savybės gali priklausyti nuo krypties. Tačiau taip yra monokristaluose: įvairiomis kryptimis jie nevienodai praleidžia šilumą, elektrą, šviesą ir garsą, nevienodai skyla nuo smūgių, plečiasi šildomi ir kt. Ši monokristalų savybė vadinama anizotropija.
Įjunkime į elektros grandinę sieros kristalą įvairiose padėtyse ir įsitikinsime, kad jis laidus elektrai tik viena kryptimi. Iš kvarco kristalo išpjautas rutulys pakaitintas virsta sukimosi elipsoidu – tai rodo, kad šio kristalo šiluminis plėtimasis įvairiomis kryptimis skirtingas.
Nudaužytomis briaunomis ar viršūnėmis kristalas, įleistas į persotintą tos medžiagos tirpalą, “užsigydo žaizdas”, t.y. atstato buvusią taisyklingą formą.
Peršvietus įvairius kristalus Rentgeno spinduliais paaiškėjo, kad išorinę kristalo formą lemia vidinė jo struktūra – atomų, molekulių ar jonų išsidėstymas. Dalelės kristaluose išsidėsčiusios tvarkingai: lygiais taarpais tam tikromis eilėmis, geometrinėmis figūromis plokštumose ar erdvėje. Jos sudaro daug kartų pasikartojančią taisyklingos geometrinės formos erdvinę gardelę. Tai – kristalo struktūriniai elementai, tarsi blokai, iš kurių sumontuotas visas kristalas.
Įvairių kristalų gardelės skirtingos. Pavyzdžiui, natrio, chromo, geležies gardelės yra kubo formos, cinko, magnio ir daugelio lydinių – šešiasienės stačiosios prizmės, Islandijos špato – romboedro formos. Gali būti 230 įvairių kristalo erdvinės gardelės formų.
Nuo erdvinės gardelės formos priklauso ir kristalinės medžiagos fizikinės savybės. Pavyzdžiui, ir juodas, minkštas, laidus elektrai grafitas, kurio rašome, ir labai ki
ietas, skaidrus brangakmenis deimantas, ir paprasčiausi suodžiai yra to paties elemento – anglies – atmainos. Skiriasi šios medžiagos tik anglies atomų išsidėstymu – kristalinės gardelės forma. Kai kurių medžiagų gebėjimas kristalizuotis keliomis formomis vadinamas polimorfizmu.
Didelę įtaką kristalų savybėms daro įvairūs jų vidinės struktūros defektai. Dėl jų mažėja kristalų mechaninis stiprumas, skaidrumas, kinta varža, kitos savybės.
Taškiniai defektai – tai paskiri priemaišų atomai, įsiterpę arba specialiai įterpti tarp kristalo gardelės mazgų arba įsikūrę mazguose vietoj pagrindinės medžiagos atomų. Vos 0,01% priemaišų germanio arba silicio kristaluose šimtus kartų sumažina jo elektrinę varžą. Tačiau kai kurios priemaišos padidina kristalų tvirtumą, todėl, lydant atsparius plienus, į juos specialiai įmaišoma priedų (nikelio, volframo,kobalto ir kt.).
Dažnai pasitaikantis taškinis defektas – tuščias gardelės mazgas. Dėl šių defektų kietuose kūnuose galima difuzija (savaiminis skirtingų skysčių ar kietųjų kūnų maišymasis laikui bėgant).
Būna kristaluose ir stambesnių defektų, apimančių dalelių grandinėles, sluoksnius, kristalo tūrio sritis – plyšiai, nepilnos plokštumos, sluoksnių poslinkiai vienas kito atžvilgiu (dislokacijos). Ypač sunku išvengti defektų kristalo paviršiuje. Kristalas su daug defektų – tarsi nelabai tvarkingai sukrauta plytų krūva. Defektai, ypač dislokacijos, mažina kūno atsparumą, daro jį trapesnį. Jie šalinami specialiai apdorojant medžiagas.
Mokslo ir technikos reikalams reikia labai daug grynųjų kristalų, kur kas daugiau negu įmanoma rasti gamtos sandėliuose. Kristalai yra visos puslaidininkinės elektronikos pagrindas. Iš jų gaminamos ra
adioelektronikos detalės – tranzistoriai, mikroschemos, atminties elementai skaičiavimo mašinoms, lazeriai. Kristalai naudojami gręžiant uolienas, užrašant ir atgaminant garsą, matuojant temperatūrą ir slėgį. Panaudojęs dirbtinai išaugintą rubino kristalą amerikietis T.Meimanas 1960 m. sukonstravo pirmąjį pasaulyje lazerį. Kristalai žėri juvelyriniuose dirbiniuose. Todėl kristalų auginimas tapo labai išvystyta šiuolaikinės pramonės šaka. Pavyzdžiui, šiuo metu 95% įrankių su deimantinėmis dalimis gaminama iš sintetinių deimantų.
Aš kristalą auginau taip. Pirma – aš padariau persotintą tirpalą iš vario sulfato. Po to aš paėmiau varinę vielutę, iš jos išlanksčiau forma ir apvyniojau vilnoniu siūlu. Tą vielutę įmerkiau į tirpalą ir palikau savaitei. Po savaitės susidarė mėlyni kristalai.

Pramonėje kristalai auginami specialiuose automatizuotuose termostatuose. Pagal iš anksto sudarytą programą galima įterpti reikiamose kristalo vietose priemaišų, keisti kristalo savybes ir išauginti ištisą kristalinį prietaisą.
Yra išrasta būdų, kaip išauginti monokristalus iš karto reikiamos formos – juostos, siūlo, vamzdelio, bet kokio sudėtingo profilio.
Didžiules galimybes atveria kosminė kristalų auginimo technologija. Nesvarumo ir didelio vakuumo sąlygomis buvo išauginti tobuli monokristalai, dešimt kartų didesni negu Žemės sąlygomis. Kosmose išauginami kristalai be priemaišų, šimtus kartų patvaresni už randamus Žemėje.
Kristalizacija gali vykti tirpale, lydinyje, taip pat dujinės būsenos medžiagoje.
Kai temperatūra ir slėgis pastovūs, vieno ar kito skysčio duotame tūryje galima ištirpinti tik tam tikrą kiekį vienos ar kitos kristalinės medžiagos. Taip gautas tirpalas vadinamas pr

risotintuoju. Į persotintą tirpalą įleistas kristalas neaugs ir netirps. Pašildžius tirpalą, daugiau ištirpsta medžiagos, todėl tas tirpinamos medžiagos kiekis tirpalo neprisotina. Kristalai, patekę į neprisotintą tirpalą, pradeda tirpti. Atšaldytas prisotintas tirpalas tampa persotintu. Persotintas tirpalas uždarame inde nesikristalizuodamas gali išsilaikyti gana ilgai. Tačiau į persotintą tirpalą patekus mažiausiai kristalo dalelei, tirpalas ima kristalizuotis.
Taigi persotintas tirpalas yra būtina, tačiau nepakankama sąlyga kristalizacijai. Kad prasidėtų kristalizacija, į tirpalą reikia įdėti jos užuomazgą – mažytį ištirpintos medžiagos kristalą.
Kristalai tirpaluose auginami taip. Iš pradžių skystyje (vandenyje) ištirpinamas reikiamas kristalinės medžiagos kiekis. Tirpalas kaitinamas tol, kol visa kristalinė medžiaga ištirpsta. Vėliau tirpalas lėtai aušinamas ir taip paverčiamas persotintu. Persotintame tirpale pakabinama kristalizacijos užuomazga.
Jei kristalizacijos laikotarpiu visame tirpalo tūryje bus pastovi temperatūra ir tankis, kristalas augs taisyklingos formos.
Tirpale gaunamo kristalo forma priklauso nuo daugelio veiksnių:konvekcinių skysčio srovių, skysčio persotinimo laipsnio, priemaišų ir t.t.
Tirpalo peršaldymo laipsnis (o dėl to ir kristalizacijos greitis) labai pakeičia kristalo formą. Labai peršaldytuose skysčiuose visada susidaro ilgų, adatos pavidalo keistai susijungusių kristalų. Pavyzdys – ledo ornamentai lange. Snaigių formos taip pat patvirtina, kad peršaldytame ore vandens garai greičiau kristalizuojasi spindulių kryptimis.krintančios snaigės atskiros molekulės gali išgaruoti (jei snaigės patenka į oro sluoksnius, kur mažesnis garų tankis arba aukštesnė temperatūra). Tai ir nulemia skirtingą ir nepakartojamą snieguolių formą.
Forma, kurią įgyja augdamas monokristalas, pašalinus visus atsitiktinius veiksnius, vadinama idealia. Ideali kristalo forma yra briaunainis.
Skystieji kristalai – tai skystos organinės medžiagos, turinčios anizotropinių savybių, kaip kristalai. Šias savybes skystasis kristalas tik tam tikrame temperatūrų intervale: jis virsta paprastu skysčiu, žemesnėje – kietuoju kristalu.
Skystųjų savybes lemia vidinė struktūra. Jų molekulės yra ištęstos, pailgos, todėl gali orientuotis lygiagrečiomis eilutėmis, sluoksniais arba kitokia tvarka. Dėl to skystis ir pasidaro anizotropiškas, tarsi monokristalas – jo optinės, elektrinės, magnetinės savybės pasidaro priklausomos nuo krypties. Paveikus tokį skystį, pavyzdžiui, elektriniu lauku, molekulės pasisuka ir taip susitvarko, kad pakinta jo optinės savybės. Iš neskaidraus skystis tampa skaidriu, iš skaidraus – neskaidriu ar net spalvotu. Šiuo pagrindu sukurtos skystųjų kristalų švieslentės ir skaitmeniniai indikatoriai laikrodžiams, kalkuliatoriams ir kt.
Kai kurie skystieji kristalai keičia savo spalvą priklausomai nuo temperatūros: pavyzdžiui, aukštoje temperatūroje būna bespalviai, o aušdami pradeda palaipsniui šviesti visomis spektro spalvomis, ryškiomis ir grynomis, nuo violetinės iki raudonos. Jų pagrindu kuriami nespalvotojo ir spalvotojo vaizdo televizorių plokšti ekranai.
Skystieji kristalai labai jautrūs mechaniniam slėgiui, dujų priemaišoms, radioaktyviesiems spinduliams ir kt. Tai atveria įvairiausias galimybes juos naudoti praktikoje; visas jas sunku ir numatyti.
Lietuvoje skystuosius kristalus sintetina ir tiria Vilniaus universiteto, Pedagoginio universiteto, Elektrografijos mokslinio tyrimo instituto fizikai bei chemikai. Atskirus, taisyklingos formos kristalus galima išauginti dirbtinėmis sąlygomis.
Žodis deformacija (lot. deformatio – formos keitimas) fizikoje suprantamas dvejopai: pirma, kai procesas – kūno dydžio ir formos kitimas, ir antra, kaip to proceso padarinys – kūno dalių poslinkis, matuojamas fizikinis dydis. Kūną deformuojant, jo medžiagoje visuomet ima veikti vidinės pasipriešinimo jėgos. Kūną deformavus, pavyzdžiui, ištempus, atstumai tarp jo molekulių ar atomų šiek tiek padidėja, todėl pradeda veikti molekulinės traukos jėgos. Kūną suspaudus, dalelės suartėja ir atsiranda stūmos jėgos. Tos pačios prigimties jėgos ima veikti ir kūne, kurį lenkiame arba susukame, nes ir čia pakinta dalelių tarpusavio padėtys. Šios vidinės jėgos stengiasi grąžinti deformuotam kūnui pradinę formą ir matmenis. Jos vadinamos tamprumo jėgomis.
Jeigu, nustojus veikti deformuojančiai jėgai, kūno forma ir matmenys atsistato, tai tokia deformacija vadinama tampriąja. Jeigu, nustojus veikti išorinei jėgai, kūnas lieka deformuotas, tai deformacija vadinama plastine. Plastinės deformacijos sutrikdo normalų mašinų, įrenginių konstrukcijų darbą, todėl jos yra neleistinos.
Toliau nagrinėsime tik tampriąsias deformacijas, tiksliau sakant, tik mažas deformacijas, kurioms tinka Huko dėsnis. Čia bus pateikta bendresnė Huko dėsnio formuluotė. Deformuoto kūno matmenų pokytis vadinamas absoliutine deformacija (rc). Huko dėsnis teigia: deformuoto kūno tamprumo jėga yra proporcinga absoliutinei deformacijai ir veikia jai priešinga kryptimi. Tačiau didėjant jėgai, pasiekiama proporcingumo riba, už kurios Huko dėsnis nebegalioja.
F = krx.
Proporcingumo koeficientas k vadinamas tamprumo koeficientu.
Jau žinomą tampriai deformuoto kūno potencinės energijos formulę dabar užrašysime šitaip:
Ep =
Absoliutinė deformacija neparodo, ar labai kūnas deformuotas. Pavyzdžiui, jei ištįso 1 cm dvi virvelės, kurių ilgis 10 cm ir 10 m, tai jos deformavosi nevienodai. Todėl vartojama santykinės deformacijos sąvoka. Absoliutinė deformacijos santykis su pradiniu kūno matmeniu vadinamas santykine deformacija.
Atsižvelgiant į tai, kaip deformuojamą kūną veikia išorinės jėgos, visas deformacijas galima suskirstyti į keturias rūšis: tempimas ir gniuždymas, šlytis, sąsūka ir lenkimas. Dvi priešingų krypčių jėgos, veikiančios išilgai vienos tiesės, sukelia tempimo deformaciją. Taip deformuojami kėlimo ir traukimo lynai bei grandinės, muzikos instrumentų stygos, žmogaus raumenys ir sausgyslės. Tempiami kūnai pailgėja, o skerspjūvio plotas sumažėja.
Sakykime, pradinis kūno ilgis buvo lygus l0, deformavus tapo l. Absoliutinė deformacija rl = l – l0 šiuo atveju vadinama absoliutiniu pailgėjimu, o santykinė – santykiniu pailgėjimu:

Priešinga tempimui deformacija – kai jėgos veikia priešpriešais – vadinama gniuždymu. Šiuo atveju absoliutinė ir santykinė deformacijos yra neigiamos. Gniuždomos pastatų atraminės kolonos, sienos pamatai, medžių kamienai, kojų kaulai ir kt.
Kai dvi lygiagrečios priešingų krypčių jėgos veikai kūną ne vienoje tiesėje, atsiranda šlyties deformacija – kūno sluoksniai pasislenka lygiagrečiai vieni kitų atžvilgiu. Absoliutinė deformacija šiuo atveju įvertinama šlyties kampu; santykinė deformacija lygi tg

šlyties deformacija veikia uolienas ir ledynus kalnų šlaituose, detales jungiančius varžtus ir kniedes, kūnus, judančius veikiant didelei trinčiai.
Šlyties deformacijas sukelia kaltas, kirstukas, skreperio ir buldozerio peiliai, žirklės.
Mašinų velenus, varančiųjų ratų ašis, grąžtus, įsukamus varžtus ar medvaržčius veikai sąsūkos deformacija. Ji atsiranda, kai negalintį laisvai suktis kūną veikia dvi jėgos, sukančios priešingomis kryptimis. Kūno sąsūką galima nagrinėti kaip savotišką šlyties deformaciją – statmenų sukimo ašiai plonų sluoksnių posūkį vienas kito atžvilgiu.
Abiejuose arba viename gale įtvirtintas vamzdis, horizontaliai įtemptas laidas įlinksta nuo savo svorio arba papildomai veikiančios statmenos jo ašiai jėgos. Modelį lenkimo deformacijai stebėti galime padaryti persmeigę vinimis vienodais nuotoliais plastmasinį vamzdelį. Lenkimo deformaciją apibūdina atstumas h, vadinamas įlinkiu. Matome, kad išlenktojo modelio iškilioji pusė pailgėjo, ištįso, o įgaubtoji pusė sugniužo, sutrumpėjo. Taigi lenkimo deformaciją sudaro vienų kūno dalių tempimas, kitų gniuždymas. Vidury tarp deformuotų sluoksnių esanti medžiaga beveik nepatiria jokios deformacijos – tai neutralus sluoksnis, nesipriešinantis deformacijai, tik papildomai apkraunantis konstrukcijas savo svoriu.
Dėl šios priežasties technikoje toms konstrukcijoms, kurias veikia lenkiančios jėgos, vietoj ištisinių sijų ar strypų naudojami tuščiaviduriai vamzdžiai, dvitėjinio ir kitokio ekonomiško profilio sijos. Dėl to konstrukcijos palengvėja ir atpinga.
Prietaisai kietųjų kūnų deformacijoms matuoti vadinami tenzometrais.
Išvadas rasite recenzijose, iš kurių vieną parašiau aš, o kitas dvi mokytojos. Iš jų spuprasite kaip pasisekė mano darbas.

Leave a Comment