Fizyka cia

ł

a sta

ł

ego

Dla kierunku In

ż

ynieria Materiałowa

Wprowadzenie

Barbara Wandelt

Katedra Fizyki Molekularnej

PŁ

Co to jest ciało stałe?

Wielka liczba atomów (~ 10

23

/cm

3

) zwi

ą

zanych

chemicznie lub fizycznie tworzy stałe skupisko.

Makroskopowo – stabilno

ść

kształtów

Mikroskopowo – sieć atomów drgających wokół
położenia równowagi

Posta

ć

ciała stałego

- krystaliczna

- bezpostaciowa

(

amorficzna)

Przej

ś

cie od cieczy do ciała stałego

Wszystkie substancje zestalaj

ą

si

ę

w temperaturze

> 0

o

K

Niektóre ciała zestalaj

ą

si

ę

do stanu

bezpostaciowego (np. siarka) a nast

ę

pnie

samorzutnie (w długim okresie czasu)
przechodz

ą

do postaci krystalicznej

Przykłady

:

- matowienie szkła (400 lat)
- „scukrzanie” – wykrystalizowanie cukru w mocno
słodzonych przetworach

Wniosek:

bezpostaciowo

ść

to stan niezrównowa

ż

ony

termodynamicznie, metatrwały, przypomina ciecz lepk

ą

.

Ró

ż

nice mi

ę

dzy ciałami krystalicznymi

i bezpostaciowymi

Krystaliczne (gr. krystallos)
– uporz

ą

dkowany układ jonów lub atomów,

periodyczno

ść

budowy.

-du

ż

a liczba jednakowych komórek elementarnych

tworzy monokryształ.

Bezpostaciowe (gr. amorphos)
– nie ma uporz

ą

dkowania

Proces krzepni

ę

cia równomiernie

ozi

ę

bionego metalu

A

B

C

D

- Materiały krystaliczne - monokryształy
- Materiały polikrystaliczne

Rozróżniamy:

Przykłady monokryształów

Ró

ż

nice mi

ę

dzy ciałami krystalicznymi

i bezpostaciowymi

-

monokryształy wykazuj

ą

anizotropi

ę

-

powolne ozi

ę

bianie daje mo

ż

liwo

ść

powstania

monokryształu

- je

ż

eli drobne kryształy nie s

ą

orientowane

to polikryształ jest izotropowy.

- praktycznie uporz

ą

dkowanie kryształków

nast

ę

puje podczas obróbki metalu np.

walcowanie, ci

ą

gnienie

- ró

ż

ne własno

ś

ci fizyczne dla ró

ż

nych kierunków

w krysztale, liczbowo mog

ą

si

ę

ró

ż

ni

ć

o kilka rz

ę

dów

np. mika: wi

ą

zanie warstw krystalicznych jest bardzo

słabe.

Kiedy materiał jest anizotropowy ?
Co to anizotropia?

Przyk

ł

ady alotropowych struktur w

ę

gla

diament
przezroczysty
twardy
izolator

grafit
czarny
miękki
przewodnik

C60 fulleren
czarny
miękki
półprzewodnik

Co to jest anizotropia ?

Materiał wykazuje ró

ż

ne w

ł

asno

ś

ci fizyczne dla

ró

ż

nych kierunków w krysztale,

-cz

ę

sto liczbowo ró

ż

nica jest o kilka rz

ę

dów

wielko

ś

ci

-np. mika i jej w

ł

asno

ś

ci mechaniczne,

-np. w

ł

asno

ś

ci elektryczne dla ró

ż

nych

strukturalnie postaci w

ę

gla.

Przyczyny anizotropii

- Zwi

ą

zek mi

ę

dzy budow

ą

sieci krystalicznej,

budow

ą

komórki elementarnej

a własno

ś

ciami fizycznymi materiału.

- W materiałach bezpostaciowych (polimery)

oraz polikrystalicznych: anizotropi

ę

mo

ż

na wywoła

ć

przez obróbk

ę

materiału.

Przyczyna anizotropii kryształów:
ró

ż

nice w g

ę

sto

ś

ci atomów le

żą

cych na

ró

ż

nych płaszczyznach kryształu

Zró

ż

nicowana anizotropia

np. kryształ soli kuchennej
-izotropowo

ść

dla przenikalno

ś

ci dielektrycznej,

współczynnika załamania

ś

wiatła

-anizotropowo

ść

dla rozpuszczalno

ś

ci,

wł. mechanicznych

Wnioski

-

Zwi

ą

zek mi

ę

dzy budow

ą

sieci krystalicznej

(budow

ą

komórki elementarnej)

a własno

ś

ciami fizycznymi materiału, anizotropia.

Siły wi

ą

zania atomów

Modele mechaniczne