Struktura a vlastnosti pevných látek

Krystalické a amorfní látky

Krystalické látky

• pravidelné uspořádání částic do krystalové mřížky

1. monokrystaly (diamant, rubín, vápenec, granát, NaCl, SiO2)

o jejich rozložení se periodicky opakuje – dalekosáhlé uspořádání, pravidelné uspořádání

o některé monokrystaly, mají pravidelný geometrický tvar

2. polykrystaly (zeminy, prach)

o skládají se z velikého počtu drobných krystalů – zrn

o zrna jsou složena s pravidelně uspořádaných částic, mají rozměry od 10 mm do několika mm,

o lze je pozorovat mikroskopem, někdy i pouhým okem

Rozdělení podle orientace krystalů

1. izotropní

• většina polykrystaly
• mají ve všech směrech stejné vlastnosti (teplotní roztažnost – ve všech směrech stejná)

2. anizotropní

• většina monokrystalů
• fyzikální vlastnosti závisí na směru – odlomení slupek slídy jen v určitých rovinách – v rovinách kolmých je to složité

Amorfní látky

• periodické uspořádání je omezeno na určitou vzdálenost (10–8 m), při větší vzdálenosti je pravidelnost porušena – krátkodosahové uspořádání
• (sklo, vosk, pryskyřice, asfalt)
• látky zpravidla izotropní

Ideální krystalová mřížka

• základní (elementární) buňka – základní krychle obsazená částicemi
• mřížka vytvořená skládáním základních buněk vedle sebe se nazývá ideální krystalová mřížka

Základní buňka

1. prostá – částice jsou pouze v rozích krychle (Po alfa)
2. plošně centrovaná – částice jsou ve středu stěn krychle (kovy – Al, Ni, Cu, Ag, Au)
3. prostorově centrovaná – částice jsou v rozích a uprostřed krychle (kovy – Li, Na, K, Cr)

• délka hrany se nazývá mřížkový parametr

Polonium alfa Hliník Železo alfa

Ideální krystaly – dokonalá pravidelnost v rozložení částic

Poruchy krystalové mřížky

• bodové poruchy

1. Vakance

o částice chybí v krystalové mřížce

o způsobeno tepelným kmitavým pohybem částic – částice unikne nebo ozářením krystalu elektrony, ionty nebo neutrony

2. Intersticiální poloha částice

o částice se nachází mimi pravidelný bod krystalové mřížky

o tato porucha souvisí s první poruchou, částice unikne mimo pravidelný bod

3. Příměsi

o cizí částice (nečistoty) vyskytující se v krystalové mřížce určitého krystalu

o tyto částice se nacházejí v intersticiální poloze nebo v pravidelném bodě mřížky

o tato porucha ovlivňuje vlastnosti krystalu – elektrická vodivost

Vazby v krystalech

• mezi částicemi – vazebné síly

1. Iontová vazba

o vazba mezi celými nabitými atomy

o alkalické halogenidy (NaCL,KBr,CsCl,LiF)

o iontové krystaly – tvrdé, křehké, štěpné, vysoká tt, elektrické izolanty, světlo prostupuje

2. Vodíková vazba

o vodíkový můstek

o spojuje kyslíkové ionty v ledu, organické látky

3. Kovová vazba

o mřížka tvořená kationy mezi nimiž se pohybuje valenční elektrony (elektronový plny)

o kovové krystaly – dobrá tepelná a elektrická vodivost, povrchový lesk, v tlustších vrstvách jsou neprůhledné, nejsou štěpné, dobrá kujnost a tažnost

4. Kovalentní vazba

o vazba tvořena elektrony (elektronové páry)

o vazba směrová, (diamant, křemík)

o kovalentní krystaly – tvrdé, vysoká teplota tání, nerozpustné v běžných rozpouštědlech, elektrické izolanty a polovodiče

5. Van der Waalsova vazba

o slabé vazby, krystaly inertních prvků

o stabilní jen za velmi nízkých teplot, (jód, chlór, kyslík, vodík a organické sloučeniny)

o molekulové krystaly – měkké, nízká teplota tání

Deformace pevného tělesa

• změna vzájemné polohy částic konáním práce
• je to změna rozměrů, tvaru, objemu způsobená vnějšími silami

1. pružná (elastická) deformace

o deformace vymizí po zániku působících sil, je to deformace dočasná

o pružná tělesa (pružina, ocelový pásek)

2. tvárná (plastická) deformace

o trvalá, těleso mění tvar, objem atd., kování kovového tělesa

Typy deformací

1. tahem

• dvě síly opačného směru směrem od středu tělesa

2. tlakem

• síly působící směrem k středu tělesa

3. ohybem

• síla působící na střed tělesa podepřeného na obou koncích)

4. smykem

• dvě síly opačného směru působící na horní a dolní podstavu tělesa, vrstvy se vůči sobě posunuje, ale jejich vzdálenosti jsou stejné

5. kroucením

• dvojice sil

v praxi kombinace různých deformací

Síla pružnosti. Normálové napětí

• při deformaci působí na sebe silou i částice v tělese, síly ,kterými působí se nazývají síly pružnosti
• podle zákona akce a reakce síla pružnosti Fp má stejnou velikost jako síla působící na těleso a působí opačným směrem

U pružně deformovaného tělesa působí na plochu libovolného příčného řezu z obou stran síly pružnosti. Je-li pevné těleso deformováno tahem silami o velikosti F, je v rovnovážném stavu tělesa síla pružnosti .

Normálové napětí – stav napjatosti při deformaci (jednotkou je Pa)

Mez pružnosti – největší možná hodnota normálového napětí, kdy je deformace ještě pružná

Mez pevnosti – po překročení této hodnoty nastává přetržení, zlomení atd.

Dovolené napětí – v praxi nejvyšší dovolená hodnota normálového napětí, je značně menší než mez pevnosti

Součinitel bezpečnosti – podíl meze pevnosti a dovoleného napětí

Hookův zákon

• při pružné deformaci je normálové napětí přímo úměrné relativnímu prodloužení.
• , kde E je modul pružnosti v tahu (jednotka Pa), charakterizuje lát­ku

prodloužení: relativní prodloužení:

Teplotní roztažnost pevných těles

• fyzikální jev spočívající ve změně rozměrů tělesa při změně teploty
• u drátů, tyčí a podobně nás zajímá délková roztažnost těles

Prodloužení je přímo úměrné počáteční délce a přírůstku teploty:

• teplotní součinitel délkové roztažnosti (jednotka K-1), mění se s teplotou

objemová roztažnost těles: , kde je teplotní součinitel objemové roztažnosti, u izotropní látky

Praxe: mosty (pilíře), dráty (průvěs), kovové kotle se těsně nezazdívají, písty u motorů mají za studena menší průměr než průměr dutin válců, matriály lze spojit pouze pokud mají přibližně stejný teplotní součinitel (železobeton), slitiny