Štruktúra a vlastnosti pevných látok

Štruktúra a vlastnosti pevných látok
Na zaciatku tohto storocia vznikol samostatný odbor - fyzika pevných látok, ktorý sa
usiluje ako samostatný fyzikálny odbor preniknút k základným zákonitostiam prírody.
Pevné látky sa rozdelujú do dvoch skupín: kryštalické a amorfné látky.
Kryštalické látky - pravidelné usporiadanie castíc(atómov, molekúl, iónov), z ktorých sa
skladajú. Niekedy sa vyskytujú ako monokryštáli. Castice monokryštálu sa periodicky
opakujú v celom kryštáli. V prírode (kamenná sol NaCl, kremen SiO2, a jeho farebné
odrody, diamant, granát), umelé(med, olovo, zinok - kovy, germánium, kremík -
polovodice, rubín - umelé drahokamy). Väcšina kryštalických látok sa vyskytuje ako
polykryštály, lebo sa skladajú z velkého poctu drobných kryštálikov - zrn s rozmermi od
10*10-6 po niekolko mm. Vnútri zrn sú castice usporiadané pravidelne, vzájomná
poloha zrn je však náhodná. Medzi polykryštály patria všetky kovy, zeminy, íly, prach a
pod. Rozlicná orientácia zrn spôsobuje, že polykryštály sú zväcša izotropné - vlastnosti
týchto látok sú vo všetkých smeroch vo vnútri polykryštálu rovnaké. Naproti tomu
monokryštály sú anizotropné (sluda).
Amorfné látky - okolo vybranej castice k nej najbližšie rozložené približne pravidelne,
ale so zväcšujúcou vo vzdialenostou sa táto pravidelnost usporiadania castíc porušuje.
Ich štruktúra sa vyznacuje krátkodosahovým usporiadaním. Pri kryštalických látkach sa
naopak usporiadanie vyznacuje dalekodosahovým usporiadaním. Amorfné látky (sklo,
jantár, živica vosk, asfalt, plasty) sú zväcša izotropné. Lámavost je vo všetkých
smeroch rovnaká. Osobitnú skupinu amorfných organických látok tvoria polyméry.
Pre vnútornú stavbu kryštálu je typická pravidelnost. Trojrozmerná sústava
rovnobežiek tvorí geometrickú mriežku. Priesecníky priamok sú uzlové body.
Základná (elementárna) bunka je základný rovnobežnosten, obsadený casticami istým
spôsobom. Pravidelným usporiadaním elementárnych buniek vzniká ideálna kryštálová
mriežka.
kocková sústava - základná bunka má tvar kocky. Dlžka jej hrany sa nazýva mriežková
konštanta a. Základná bunka môže byt primitívna, plošne centrovaná alebo priestorovo
centrovaná. Primitívna sa v prírode vyskytuje len výnimocne.
Typy väzieb medzi casticami pevných látok:
a) iónová väzba(NaCl, KBr, CsCl, LiF, oxidy alkalických zemín CaO2 apod.). Tieto
kryštály sú velmi tvrdé s pomerne vysokou teplotou topenia. Sú však krehké a štiepne
pozdlž rovín kolmých na hrany elementárnej bunky. Sú dobré elektrické izolanty.
Pri vyšších teplotách sú elektricky vodivé. Zväcša sú priehladné.
b) vodíková väzba - najcastejšie v organických látkach, ale tiež napríklad viaže ióny
kyslíka v lade
c) kovová väzba - mriežka sa skladá z kladných iónov, medzi ktorými sa pohybujú
neusporiadaným pohybom valencné elektróny - elektrónový plyn. Velmi dobrá
elektrická a tepelná vodivost, povrchový lesk, nepriehladné, dobrá kujnost a tažnost
d) kovalentná väzba (diamant, germánium, kremík, karbid kremíka) -smerová väzba,
tvrdost, vysoká teplota topenia, v bežných rozpúštadlách nerozpustné, izolanty alebo
polovodice
e) Van der Waalsova väzba - slabá, typická pre inertné prvky (I, Cl, O, organické
zlúceniny), stabilná len pri nízkych teplotách, mäkké, nízka teplota topenia.
V reálnych kryštáloch sa najcastejšie uplatnuje viac typov väzieb. Dokonalá priestorová
štruktúra však nie je v reálnych kryštáloch. Každý reálny kryštál ma vo svojej štruktúre
poruchy (defekty).
1.bodové poruchy
a) vakancia - chýbajúca castica v mriežke (kovové zliatiny)
b) intersticiálna poloha castíc -castica mimo pravidelného bodu miežky
c) prímesy - cudzie atómy, ktoré sa vyskytujú v kryštáli daného chemického zloženia
2.ciarové poruchy - dislokácie, je niekolko typov, napr. hranolová dislokácia
Pevné väzby medzi casticami pevných látok spôsobujú, že základnou charakteristikou
pevných látok je ich tvar. Deformácia -zmena tvaru pevného telesa spôsobená úcinkom
vonkajších síl. Ked pevné teleso nadobudne pôvodný tvar, len co prestanú pôsobit
vonkajšie sily, hovoríme o pružnej (elastickej) deformácii. Táto deformácia je docasná.
Trvalá deformácia sa nazýva tvárna (plastická).
Druhy jednoduchých deformácií:
1.deformácia tahom - na teleso pôsobia dve sily opacného smeru smerom von z telesa
2.deformácia tlakom - na teleso pôsobia dve sily do vnútra telesa
3.deformácia šmykom - na hornú a dolnú podstavu telesa pôsobia sily F a F` a to v
rovinách týchto podstáv. Sily spôsobujú posunutie jednotlivých vrstiev telesa - šmyk.
Vzdialenost vrstiev sa však nemení.
4.deformácia ohybom - nastane, ak na teleso pôsobí sila kolmo na jeho pozdlžnu os
súmernosti
5.deformácia krútením - na obidva konce telesa pôsobia dve sily rovnakej velkosti, no
opacného smeru.
V technickej praxi sa najcastejšie vyskytujú deformácie zložené z niekolkých typov
jednoduchých deformácií.
Sily pružnosti medzi casticami pôsobia proti deformacným silám.
Pri pružne deformovanom pevnom telese pôsobia na plochu lubovolného priecneho
rezu z oboch strán sily pružnosti.
Stav napätosti charakterizujeme pomocou normálového napätia
n = Fp / S []=Pa. Ked sa pri deformácii mení dlžka telesa, vzniká
predlženie l = l - ll. V praxi uvažujeme o relatívnom predlžení
= l /ll. Závislost normálového napätia od relatívneho
predlženia vyjadruje krivka deformácie.
1.OA - pružná deformácia. Platí Hookov zákon: Normálové napätie je priamo úmerné
relatívnemu predlženiu. a = E.
E - modul pružnosti v tahu [E]=Pa, závisí od druhu látky.
n- medza úmernosti
2.AB - dopružovanie. Ked prestanú pôsobit vonkajšie sily, deformácia nezanikne hned,
ale až po urcitom case. d - medza pružnosti, príliš sa neodlišuje od medze
úmernosti. Niektoré látky ich majú dokonca rovnaké.
3.BC - plastická deformácia
4.CD - tecenie materiálu, malej zmene normálového napätia prislúcha velká zmena
relatívneho predlženia. k -medza klzu (prietažnosti).
5.DE - spevnenie materiálu. p - medza pevnosti, po jej prekrocení sa poruší
súdržnost látky - tyc sa pretrhne.
Znalost medze pružnosti a medze pevnosti má velký význam pri výbere materiálov.
Krivka deformácie nemá pre všetky látky rovnaký priebeh. Látka je pružná, ked aj pri
pomerne velkom  je vyvolané n < u (napr. ocel je
pružná do = 1%). Ak sa medza pevnosti približuje k medzi
pružnosti je látka krehká (liatina, sklo, mramor).
Tepelná roztažnost
Jav, pri ktorom sa menia rozmery telesa so zmenou teploty sa nazýva tepelná
roztažnost. Predlženie tyce je priamo úmerné zaciatocnej dlžke a prírastku teploty.
Okolitý tlak je pritom konštantný a zmena teploty nie je príliš velká.
l = l1(1 + t).  - súcinitel teplotnej dlžkovej
roztažnosti. V monokryštáloch sa pri teplotnej roztažnosti prejavuje anizotropia
(gula-elipsoid).
So zmenou teploty sa mení aj objem telesa.
V = V1 (1 + & ;#61508;t).  - súcinitel teplotnej
objemovej roztažnosti, závisí od druhu látky. Pre anizotropné teleso z pevnej látky je
= 3.. Pri velmi nízkych teplotách  a 
klesajú s tretou mocninou T.
Teplotná roztažnost v praxi: kolajnice, elektrické vedenie, kovové kotly, pružné kolená
na potrubiach s horúcou parou. Dlžkové meradlá, odmerné valce, banky sú presné len
pri teplote, pri ktorej boli ciachované. Preto sa presné meradlá zhotovujú z kovov s
malým súcinitelom dlžkovej roztažnosti(zliatina platiny a irídia, invar -zliatina železa a
niklu).