Инженерная графика
Физика
Атомные станции
Строймех
ТКМ
Начертательная геометрия
Экология энергетики
Сопромат
Готика
Черчение
Теплотехника
Математика

Театр

Конспект лекций
Атомная энергетика
Карта

При воздействии на тело силовых полей (электрического, механического, магнитного) частицы тела смещаются из равновесных положений. При этом могут реализовываться три случая.

1 Чем "круче" стенки потенциальной ямы, тем труднее осуществляется упругий бесгистерезисный процесс, в частности, растет модуль упругости материала.

2 Упругогистерезисный процесс (типичный пример - "неупругость" пружин), характеризуется замкнутыми кривыми, называемыми циклами гистерезиса.

3 Если внешнее поле перемещает частицы через потенциальные барьеры, достаточно высокие по сравнению с тепловой энергией материала, то при снятии внешнего воздействия частицы в исходные положения не возвращаются, появляется остаточный эффект (пластическая деформация металлов, получение постоянных магнитов, электретов и т.д.).

Подводя итог сказанному выше, следует отметить, что увеличение глубины потенциальной ямы ведет к росту напряжения течения при пластической деформации, увеличению модуля упругости, повышению температур плавления и испарения, к снижению коэффициента теплового расширения. Таким образом, зная одни свойства материала, можно прогнозировать другие свойства.

Важной особенностью окружающего физического мира является то обстоятельство, что устойчивость всех тел возрастает при уменьшении энергии. Во многих случаях мы принимаем это автоматически: например, карандаш обладает большей потенциальной энергией и меньшей устойчивостью, если он стоит вертикально, а не лежит горизонтально на столе. В других случаях это становится очевидным из экспериментов: природный газ, сгорая на воздухе, освобождает энергию (теплоту), поэтому образующиеся продукты имеют меньшую химическую энергию, чем исходные углеводороды и кислород.

Энергетические соотношения зависят от внутренней структуры материалов. Чем прочнее связи между атомами, тем большую энергию необходимо затратить для разделения этих атомов. Электроны более склонны занимать орбиты с меньшими энергиями, за исключением того случая, когда они получают дополнительную энергию возбуждения от внешних источников. Однако с течением времени даже возбужденные электроны стремятся вернуться на незанятые более устойчивые орбиты с низкой энергией.

Энергию механических систем подразделяют на потенциальную и кинетическую. Потенциальной энергией называют часть энергии-механической системы или тела, зависящую от положения частиц системы или тела во внешнем силовом поле. Общеизвестна потенциальная энергия, связанная с действием гравитационных сил. Другим источником потенциальной энергии являются кулоновские силы, возникающие в электрических полях и вызывающие притяжение разноименных зарядов и отталкивание одноименных.

Кинетическая энергия, или энергия движения, имеет важное значение как для материалов, так и для механизмов. Например, давление газа обусловлено кинетической энергией атомов или молекул. В твердых телах атомы непрерывно совершают колебания в результате теплового возбуждения. Такое движение оказывает существенное влияние на свойства материала.

Во всех материалах существует межатомное притяжение, которое приводит к образованию атомных связей. Если бы такое притяжение отсутствовало, то каждый атом был бы независимым от всех других, а материалы не обладали бы целостностью и не могли оказывать сопротивление приложенным внешним силам.

Обычно выделяют четыре типа межатомных связей. Первые три типа связей – ионная (гетерополярная), ковалентная (гомеополярная) и металлическая – называются первичными, поскольку они относительно прочны. Каждая из этих связей возникает в следствии обмена или объединения валентных электронов, находящихся на s – и р – орбиталях. Четвертый тип связи – Ван – дер – Ваальсовая – возникает в результате воздействия более слабых, но играющих важную роль сил притяжения.

Ковалентная связь. Ковалентная связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов с близкими ионизационными потенциалами. В чистом виде ковалентная связь реализуется при взаимодействии элементов с наполовину заполненными электронными оболочками. Из квантовой химии следует, что система из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронных оболочек имеет минимальную энергию в том случае, когда электронные оболочки заполнены полностью. Поэтому атомы с наполовину заполненными электронными оболочками обмениваются электронами. При этом образуются пары электронов с противоположно направленными спиновыми магнитными моментами, причем эти пары принадлежат обоим соседним атомам.

Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и, тем самым, притягиваются друг к другу. Каждый атом взаимодействует с ограниченным числом соседей, причем число соседей равно числу валентных электронов атома. Следовательно, ковалентная связь насыщенна. Кроме того, атом взаимодействует только с теми соседями, с которыми он обменялся электронами, то есть ковалентная связь направленна.

В результате, с ростом порядкового номера элемента падает температура плавления, растет коэффициент теплового расширения, уменьшается модуль упругости. Схема образования ковалентной связи представлена на рисунке 2.4.


Рисунок 2.4 - Схема образования ковалентной связи

Ионная связь. Ионная связь образуется при взаимодействии атомов с малым количеством валентных электронов и атомов с большим количеством электронов на валентных оболочках. При этом наружные электроны атомов с низкими потенциалами ионизации переходят на валентные оболочки атомов с высокими ионизационными потенциалами. В результате образуются положительно и отрицательно заряженные ионы, взаимно притягивающиеся электростатическими силами. Ионная связь ненасыщенна, поскольку каждый из отрицательно заряженных ионов притягивает к себе положительно заряженные, а каждый из положительно заряженных ионов притягивает к себе все отрицательно заряженные. Однако ионная связь направлена, поскольку ион притягивает к себе разноименно заряженные ионы и отталкивает одноименно заряженные.

Уменьшение размера иона и увеличение его заряда ведет к росту энергии связи, а следовательно, к росту температуру плавления материала, уменьшению коэффициента теплового расширения и к увеличению модуля упругости. Схема образования ионной связи показана на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Схема образования ионной связи

Металлическая связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов, у которых валентные электронные оболочки застроены меньше чем на половину. Поскольку энергия иона минимальна при полностью заполненной внешней оболочке, атомы отдают внешние валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, между которыми находятся свободные электроны (электронный газ).

Каждый из положительно заряженных ионов притягивается к свободным электронам, и, тем самым, ионы притягиваются друг к другу. Металлическая связь ненаправленна и ненасыщенна, и число ближайших соседей у иона определяется в основном геометрическим и энергетическими факторами. Следовательно, кристаллические решетки металлов упакованы плотно. Под действием электрического поля не связанные с ионами электроны перемещаются, то есть металлы обладают высокой электропроводностью. Схема образования металлической связи представлена на рисунке 2.6.


Рисунок 2.6 - Схема образования металлической связи


Электротехнические материалы