Nauka o materiałach



Pobieranie 73.18 Kb.
Data06.05.2016
Rozmiar73.18 Kb.
Wykład 1

Nauka o materiałach


Materiały, w najbardziej ogólnym sensie jest to surowiec w postaci pierwotnej lub częściowo przetworzony, z którego wytwarza się różne produkty. Człowiek od zarania dziejów wykorzystywał, a z czasem przetwarzał, materiały dla zdobycia pożywienia, zwiększenia swego bezpieczeństwa i zapewnienia sobie odpowiedniego poziomu życia. Jakikolwiek postęp techniczny jest niemożliwy bez stałego ulepszania materiałów i tworzenia nowych. Można bez przesady powiedzieć, że stan wiedzy o materiałach był zawsze "indykatorom" rozwoju technicznego i cywilizacyjnego, a najbardziej rozwinięte kraje świata przodują również w rozwijaniu, wytwarzaniu i stosowaniu nowych materiałów. Dlatego jest bardzo ważne, aby każdy inteligentny człowiek posiadał podstawową wiedzę o aktualnie dostępnych materiałach i rozumiał ich zachowanie się w warunkach eksploatacyjnych, gdyż to umożliwia racjonalny dobór i stosowanie materiałów.

Materiały są podstawowym tworzywem, z którym mają do czynienia naukowcy i inżynierowie, którzy zajmują się wytwarzaniem materiałów, ich badaniem, konstruowaniem i wykorzystaniem. Badaniem materiałów zajmują się różne nauki, podstawowymi, z których są: nauka o materiałach; materiałoznawstwo, inżynieria materiałowa i inne. Każda z tych nauk ma swój zakres badań. Na przykład, nauka o materiałach bada strukturę i właściwości materiałów (tworzyw); wyjaśnia mechanizmy i związki pomiędzy właściwościami, a strukturą i składem chemicznym materiału. Materiałoznawstwo zdobywa wiedzę na temat materiałów o charakterze praktycznym, biorąc pod uwagę możliwości ich zastosowania i użytkowania. Natomiast inżynieria materiałowa jest dziedziną inżynierii, która obejmuje zastosowania nauki o materiałach dla celów związanych z projektowaniem, wytwarzaniem, doskonaleniem i użytkowaniem różnych produktów.

Z określenia, przedstawionego wyżej widać, że nauka o materiałach sama jest nauką złożoną, obejmującą szereg podstawowych nauk fizyki, chemii, biologii: fizykę ciała stałego; fizykę cieczy, gazów, plazmy; chemię fizyczną, krystalografię, biofizykę itd.

Jak wiemy, w zależności od stanu materii rozróżniamy ciała stałe, cieszę, gazy i plazmę i w zasadzie wszystkie materiały możemy klasyfikować zgodnie ze stanem materiału.

Z punktu widzenia funkcjonalnego materiały można podzielić na materiały, które stosują się w budownictwie, lotnictwie, energetyce, elektronice itd.

Z punktu widzenia strukturalnego materiały można podzielić na kryształy, polikryształy, amorficzne i szkliste ciała, ciekłe kryształy, polimery itd. Struktura materiałów może być rozważana w różnych aspektach. Z jednej strony strukturą nazywamy sposób ułożenia atomów lub cząsteczek, np. bezpostaciowa (amorficzna) lub krystaliczna, z uwzględnieniem defektów, z drugiej zaś - wzajemny układ i dyspersję różnych ziaren (kryształów). W pierwszym przypadku mówi się o strukturze krystalicznej, która może być analizowana za pomocą metod dyfrakcyjnych przy użyciu promieni rentgenowskich, elektronów i neutronów, w drugim istnieje szeroki zakres metod badawczych począwszy od obserwacji "gołym" okiem (makrostruktura), a przy większych powiększeniach za pomocą mikroskopu optycznego (mikrostruktura) lub elektronowego (submikrostruktura).

Istnieje mnóstwo metod klasyfikacji materiałów. Jedną z metod jest metoda klasyfikacji materiałów względem ich własności fizycznych do których odnoszą się: właściwości mechaniczne, termiczne, elektryczne, magnetyczne, optyczne i inne, oraz ich związek z wewnętrzną strukturą (budową) materiałów. Właśnie taką klasyfikację będziemy wykorzystywać w niniejszym wykładzie. Głównie będziemy zajmować się materiałami, które odnoszą do ciał stałych. W odróżnieniu od gazów i cieczy, które przyjmują kształt naczynia, w które zostały one umieszczone, ciało stałe ma określony kształt, który jest własnością ciała. Istnieją jednak materiały, które zajmują stan pośredni pomiędzy ciałami stałymi i cieczami. Przykładami takich materiałów są ciekłe kryształy, materiały granulowane (ziarniste) itd. O takich materiałach też będzie mowa w tym wykładzie.

Podstawowe własności fizyczne materiałów oraz wielkości ich określające


Na charakterystyki (własności) materiałów wpływają czynniki zewnętrzne. Oto niektóre z nich:

  1. sposób obciążenia (statyczny, dynamiczny, zmienny, w zakresie sprężystości lub odkształcenia plastycznego),

  2. temperatura (ze wzrostem temperatury obniżają się własności wytrzymałościowe, ale rośnie plastyczność, z obniżeniem zwiększa się skłonność do kruchego pękania),

  3. pole elektromagnetyczne (pole elektromagnetyczne powoduje polaryzacje i namagnesowanie materiału, co powoduje zmiany właściwości materiału),

  4. atmosfera (zwykle atmosfera zawierająca tlen wpływa destrukcyjnie na metale i polimery; niektóre metale mają skłonność do pochłaniania gazów, co powoduje ich kruchość),

  5. korozja (metale mogą ulegać korozji gazowej przy wysokich temperaturach w atmosferze zawierającej tlen i siarkę; mogą także ulegać korozji w roztworach soli i kwasów. Działanie naprężeń może przyspieszyć ten proces. Także materiały ceramiczne korodują w kontakcie z innymi materiałami ceramicznymi w stanie ciekłym np. żużlem),

  6. uszkodzenia radiacyjne (materiały narażone na działanie cząstek o wysokiej energii (np. neutronów w reaktorach) ulegają destrukcji objawiającej się spadkiem wytrzymałości i wzrostem kruchości, puchnięciem i pękaniem),

  7. rozmiary materiału (okazuje się, że materiały o dość małych rozmiarach od 1 nm do 100 nm (1nm = 10-9 m) mają zupełnie inne właściwości niż materiały o rozmiarach makroskopowych).

Rozważmy niektóre podstawowe własności fizyczne materiałów oraz wielkości ich określające.

Własności mechaniczne materiałów

Ze względu na właściwości mechaniczne materiały różnią się odpornością (wytrzymałością) na mechaniczne działania z zewnątrz typu rozciągania, ściskania, uderzenia, zginania, nacisku lub skręcenia. Rozróżniają materiały: twarde (diament, korund - ), kruche (szkło, kwarc), ciągliwe (miedź), plastyczne albo kowalne (metale), sprężyste, łupliwe (właściwość tylko kryształów) itd.


Własności wytrzymałościowe materiałów


Odporność na rozciąganie. Pod wpływem działania rozciągającej siły skierowanej równolegle do osi pręta, w każdym przekroju pręta o polu powierzchni powstaje rozciągające naprężenie . Naprężenia powodują wydłużenie względne materiału o

, (1.1)

gdzie - przyrost rozmiaru próbki, a - długość próbki do rozciągania próbki.

Na początku rozciągania przy wzroście wartości siły obserwują się niewielki przyrost rozmiaru próbki (rys.1.1). Mówimy, że powstałe w wyniku działania sił rozciągających odkształcenia mają sprężysty charakter. W przypadku odkształceń sprężystych one znikają po ustaniu działania wywołujących je sił zewnętrznych.

Zgodnie z prawem Hooke’a dla sprężystych odkształceń



, (1.2)

gdzie nazywa się współczynnikiem sprężystości (wielkość nazywa się modułem Younga). Prawo Hooke’a jest słuszne jedynie przy odpowiednio małych odkształceniach względnych. Przy osiągnięciu naprężenia oznaczonego na rys.1.1 punktem załamuje się prawo Hooke’a i wydłużenie rośnie szybciej niż naprężenie. Granicą sprężystości (punkt na rys.1.1) nazywają maksymalne naprężenie przy przekroczeniu której w materiale powstają trwałe odkształcenia.



Rys.1.1. Zależność względnego wydłużenia ciała od przyłożonego naprężenia



Przy naprężeniu, któremu odpowiada punkt na rys.1.1 względne wydłużenie ciała może wzrastać prawie beż zwiększania naprężenia (odcinek CD na wykresie). Naprężenia odpowiadające punktowi nazywa się granicą płynięcia (plastyczności). W pewnym momencie siła osiąga maksymalną wartość , po osiągnięciu której w określonym miejscu próbki tworzy się zwężenie nazywane szyjką (punkt na rys.1.1).

Kolejne rozciąganie jest powodem szybkiego wydłużenia się próbki w punkcie zwężenia. Naprężenie odpowiadające punktowi nazywa się wytrzymałością na rozciąganie materiału. Punkt na rys.1.1 odpowiada rozerwaniu ciała.

Jeżeli pręt o średnicy i długości zostanie rozciągnięty (albo ściśnięty) o , to jego średnica zmniejszy się (albo zwiększy się) o . Stosunek względnego poprzecznego odkształcenia do odkształceniu podłużnego nazywa się współczynnikiem Poissona



. (1.3)

Ścinaniem nazywamy takie odkształcenie ciała, które zachodzi pod wpływem siły stycznej , przyłożonej do ściany , równoległej do płaszczyzny ścinania (rys.1.2). Ściana równoległa do jest zamocowana nieruchomo. Przy małym ścinaniu kąt ścinania (rys.1.2) jest proporcjonalny do naprężenia stycznego , gdzie - pole powierzchni ściany , a więc

. (1.4)

Współczynnik nazywa się modułem Kirchhoffa (modułem ścinania).Moduł ścinania jest związany z modułem Younga i współczynnikiem Poissona za pomocą wzoru

. (1.5)

Rys.1.2. Odkształcenia ścinające



Skręcaniem nazywamy odkształcenia powstające w próbce z zamocowanym jednym końcom w wyniku działania momentu skręcającego, czyli momentem pary sił. Jeżeli wyobrazimy sobie przekrój skręconego pręta (rys.1.3), to zauważmy, że odkształcenie zaszło w całym przekroju pręta, jednak im bliżej do osi pręta, tym te odkształcenia są mniejsze.


Rys.1.3. Odkształcenia skręcające

Przy skręcaniu okrągłego cylindra przekroje pręta obracają się dookoła osi walca o różne kąty. Jeżeli oznaczmy przez kąt obrotu przekroju odległym o od zamocowanego końca walca, to różnicę kątów obrotu dwóch nieskończenie zbliżonych do siebie przekrojów, oddalonych od siebie o wynosi

, (1.6)

gdzie jest miarą odkształcenia wskutek skręcania. Zgodnie z prawem Hooke’a dla małych odkształceń

, (1.7)

gdzie tak zwany biegunowy moment bezwładności dla walca o promieniu ; - moment skręcający pary sił; - moduł ścinania (moduł Kirchhoffa). Iloczyn nazywa się sztywnością na skręcanie.



Wytrzymałość przy uderzeniu. Wielkość obciążenia (ciśnienia) statycznego materiału mierzy się w kilogramach na . W przypadku uderzenia ważną rolę odgrywa energia, która zostaje przekazana materiałowi w momencie uderzenia. Ta energia przekształca się w energię sprężystego i trwałego odkształcenia materiału. Dla tego zdolność tego lub innego materiału przeciwstawiania się obciążeniom uderzeniowym określa się nie granicą jego wytrzymałości, a energią odkształcenia, która gromadzi się po uderzeniu w jednym metrze sześciennym materiału.

Wartość zgromadzonej w materiale energii tym większa im większe jest odkształcenie próbki i naprężenie uderzeniowe powodujące to odkształcenie (rys.1.4). A zatem największą energią przed zniszczeniem może nagromadzić materiał plastyczny, zdolny do dużych odkształceń (rys.1.4a).

Materiały kruche (na przykład żeliwo) są niezdolne do odkształceń plastycznych, a



Rys.1.4. Zależność odkształcenia od naprężenia dla materiału plastycznego (a) i kruchego (b). Zakreskowane pole jest proporcjonalne do pracy zużytej na zniszczenie materiału



zatem one zostają zniszczone już przy bardzo małych odkształceniach, nawet jeżeli granica wytrzymałości tych materiałów jest duża (rys.1.4b).

Własności materiałów względem zdolności przewodzenia prądu elektrycznego


Przewodnictwo elektryczne materiału określa rezystywność (oporność właściwa). Rezystywność zazwyczaj oznaczają jako , a jednostką rezystywności w układzie SI jest om metr (). Rezystywność występuje jako współczynnik proporcjonalności miedzy natężeniem pola elektrycznego w materiale i gęstością prądu elektrycznego

. (1.8)

Prawo (1.8) wiadome jako prawo Ohma.

Materiały wskutek zdolności przewodzenia prądu elektrycznego dzielą się na: przewodniki, izolatory, półprzewodniki i nadprzewodniki.


  • Umownie za przewodniki przyjęto uważać ciała, których właściwa oporność w pokojowej temperaturze jest rzędu . Na przykład miedź ma rezystywność .

  • Izolatorami natomiast są materiały o oporności właściwej, która przekracza . Na przykład oporność właściwa gumy wynosi około .

  • Substancje, które wykazują oporność właściwą pośrednią między przewodnikami i izolatorami są uważane za półprzewodniki. Na przykład german ma rezystywność około .

  • Nadprzewodniki to są materiały (głównie przewodniki), które w dość niskich temperaturach mają zerową rezystancję.

Rozbieżności między półprzewodnikami i przewodnikami są jeszcze bardziej istotne niż wynika to z wymienionej wcześniej klasyfikacji. Różnice dotyczą przede wszystkim sposobu przewodzenia prądu i wpływu zewnętrznych warunków na elektryczną przewodność materiałów.

W przewodnikach przewodność określa prosty wzór



. (1.9)

gdzie - ładunek elektronu; - koncentracja elektronów przewodzenia, a



(1.10)

nosi nazwę ruchliwości elektronów. We wzorze (1.10) - masa elektronu, a określa prawdopodobieństwo rozproszenia elektronu, które jest odwrotnie proporcjonalne do .

Ze wzorów (1.9) i (1.10) wynika, że zależność temperaturową oporu metalu określa temperaturowa zależność czasu relaksacji , który zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do temperatury. A zatem oporność właściwa przewodnika rośnie ze wzrostem temperatury

, (1.11)

gdzie - rezystywność właściwa przy ; - współczynnik temperaturowy oporności. Dla większości metali .

W półprzewodnikach nośnikami są elektronu i kwazicząstki zwane dziurami, a całkowitą przewodność elektryczną półprzewodników daje się przedstawić w postaci

, (1.12)

gdzie i są odpowiednio ruchliwości elektronów i dziur, a i są koncentracje elektronów i dziur.

W odróżnieniu od przewodników w których koncentracja elektronów pozostaje prawie stałą, w półprzewodnikach przy wzroście temperatury rosną koncentracje elektronów i dziur, a to powoduje, że oporność właściwa półprzewodnika maleje

, (1.13)

gdzie - stała Boltzmanna, a tak zwana przerwa energetyczna, która jest charakterystyką danego półprzewodnika.


Własności termiczne materiałów


Główne własności cieplne materiałów technicznych to: rozszerzalność temperaturowa, przewodność cieplna oraz pojemność cieplna.

Pojemnością cieplną substancji nazywana jest ilość ciepła potrzebna do podniesienia o jeden stopień temperatury danej substancji. Pojemność cieplna, która przypada na jednostkę masy danej substancji jest nazywana ciepłem właściwym (wyrażanym w .

Rys.1.5. Zależność ciepła właściwego w funkcji temperatury



Wielkość ta nie jest stałą wartością i zależy przede wszystkim od temperatury. W wielu substancji bezpostaciowych, szklistych i krystalicznych ciepło właściwe wzrasta równocześnie ze zwiększeniem temperatury i w wysokich temperaturach

,

(1.14)


gdzie jest stałą Avogadra, a - stała gazowa.

Wzór (1.14) wyraża tzw. prawo Dulonga-Petita. W dostatecznie niskich temperaturach

. (1.15)

Rozszerzalność temperaturową charakteryzuje zjawisko zmiany rozmiarów substancji wraz ze zmianami temperatury. Rozszerzalność termiczną w pewnym przedziale temperatur określają współczynniki rozszerzalności: liniowej i objętościową .

Współczynnik temperaturowej liniowej rozszerzalności określa wzór

, (1.16)

tu - wzrost długości po nagrzaniu ciała do temperatury ; jest długością ciała w temperaturze . Dla większości ciał stałych i słabo zależy od temperatury.



Współczynnik temperaturowej rozszerzalności objętościowej określa wzór

, (1.17)

tu - wzrost objętości po nagrzaniu ciała do temperatury ; jest objętością ciała w temperaturze .

Współczynniki i w przybliżeniu są związane między sobą zależnością

. (1.18)

Zjawisko temperaturowej rozszerzalności ciał stałych spowodowane jest drganiami atomów w ciele stałym, których amplituda wzrasta jednocześnie z podwyższeniem temperatury.



Przewodność cieplną określa się przez współczynnik przewodności cieplnej , który oznacza ilość ciepła, przepływającą przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu, gdy różnica temperatur w substancji przewodzącej ciepło jest równa na jednostkę odległości. Matematycznie to wyraża prawo Fouriera

, (1.19)

gdzie jQ jest gęstością strumienia ciepła, czyli liczbowo równym energii przekazywanej w postaci ciepła w jednostce czasu przez płaską powierzchnię jednostkową, prostopadłą do kierunku transportu energii.

Współczynnik przewodności cieplnej wyraża się w . Dla miedzi ; dla diamentu ; dla drewna ; dla powietrza (bez wiatru) .

Między współczynnikami przewodności cieplnej i przewodności elektrycznej właściwej w metalach istnieje uniwersalny związek, który wyraża prawo Wiedemanna-Franza



. (1.20)

Liczba we wzorze (1.NN) nosi nazwę liczby Lorenza.

Prawo Wiedemanna-Franza jest skutkiem tego, że jak przewodność cieplna, tak przewodność elektryczna metali jest uwarunkowana ruchem swobodnych elektronów.

Własności materiałów dielektrycznych


Dielektrykami są materiały, które nie posiadają swobodnych elektronów, zdolnych do przemieszczenia się na duże odległości pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. A zatem dielektryki są złymi przewodnikami prądu elektrycznego, czyli są dobrymi izolatorami. Po umieszczeniu dielektryka w zewnętrznym polu elektrycznym zachodzi polaryzacja dielektryka, którą opisuje wektor polaryzacji

, (1.21)

gdzie - elektryczny moment dipolowy - tej cząsteczki, - liczba cząstęczek w objętości .

Spośród dielektryków osobno wyróżniają: piroelektryki, ferroelektryki i piezoelektryki.

Piroelektryki są to kryształy które posiadają niezerową polaryzację elektryczną nawet w zerowym polu elektrycznym. Zmiany temperatury kryształu powodują zmianę polaryzacji, a zmiana jest wprost proporcjonalna do zmiany temperatury:

. (1.22)

Efekt określony przez wzór (1.22) nazywa się efektem piroelektrycznym, a składowe wektora w (1.22) noszą nazwę współczynników efektu piroelektrycznego. Wartości liczbowe składowych wektora zależą od mikroskopowej budowy piroelektryku. Przykładem kryształów wykazujących piroelektryczność są: , , i inne.

Zjawisko odwrotne do piroelektryczności nazywa się efektem elektrokalorycznym. Kryształy piroelektryczne umieszczone w polu elektrycznym o natężeniu skierowanym wzdłuż wektora ogrzewają się lub oziębiają.

Ferroelektryki są to substancje, które jak i piroelektryki wykazują samoistną (spontaniczną) polaryzację elektryczną niżej określonej temperatury (temperatury Curie ). Jednak w odróżnieniu od piroelektryków, możemy zawsze odwrócić kierunek wektora polaryzacji spontanicznej stosując zewnętrzne pole elektryczne. Powyżej temperatury Curie ciało stałe przestaje być ferooelektrykiem i przechodzi w stan który nazywamy stanem paraelektrycznym. W nieobecności zewnętrznego pola elektrycznego poniżej cała objętość ferroelektryka spontanicznie dzieli się na małe spolaryzowane obszary o swojej polaryzacji elektrycznej . Takie małe spolaryzowane obszary nazywają się domenami. Dopuszczalne kierunki wektorów w domenach określa symetria kryształu. Jednak w zerowym zewnętrznym polu elektrycznym suma wszystkich jest zawsze równa zeru ().

Rys.1.6. Pętla histerezy


Zależność polaryzacji kryształu od natężenia zewnętrznego pola elektrycznego jest przedstawiona na rys.1.6. Ma ona kształt pętli nazywanej pętlą histerezy. Przyłożone zewnętrzne pole elektryczne powoduje, że ze wzrostem natężenia pola elektrycznego zaczyna rosnąć polaryzacja początkowo niespolaryzowanego kryształu do maksymalnej wartości (punkt na rys.1.6). Wzrost polaryzacji kryształu zachodzi w wyniku zmiany granic między domenami, wskutek czego rośnie objętość domen z . Maksymalna wartość polaryzacji odpowiada stanowi nasycenia. W tym stanie w krysztale znikają wszystkie domeny z polaryzacją nierównoległą do , a domeny z zajmują całą objętość kryształu. Jeżeli teraz zaczniemy zmniejszać natężenie pola elektrycznego, to polaryzacja kryształu zaczyna maleć (rys.1.6). Jednak przy polaryzacja nie staje się równa zeru, a osiąga wartość , która nosi nazwę polaryzacji szczątkowej. Polaryzacja znika całkowicie tylko pod wpływem przeciwnie skierowanego pola elektrycznego o natężeniu . Wartość natężenia nazywa się polem koercji.

Piezoelektryki są to kryształy, w których występuję efekt piezoelektryczny. Rozróżniają efekt piezoelektryczny prosty i odwrotny. Efekt piezoelektryczny prosty obejmuje zjawiska polegające na tym, że w pewnych kryształach naprężenia mechaniczne albo deformacje powodują wystąpienie w nich polaryzacji elektrycznej albo pola elektrycznego, które są wprost proporcjonalne do wielkości przyłożonego naprężenia albo deformacji. Natomiast efekt piezoelektryczny odwrotny, jak widać z nazwy efektu, obejmuje grupę zjawisk polegających na tym, że kryształ pod wpływem elektrycznego pola z zewnątrz albo zmiany polaryzacji elektrycznej kryształu deformuje się i zmienia swój kształt.

Własności magnetyczne materiałów


Ze względu na właściwości magnetyczne ciała stałe dzielimy na diamagnetyki, paramagnetyki oraz magnetycznie uporządkowane ciała (magnetyki).

Diamagnetyki są to substancje, które w zewnętrznym polu magnetycznym o indukcji uzyskują indukowane namagnesowanie skierowane przeciwnie do . Innymi słowy podatność magnetyczna diamagnetyków jest ujemna. Diamagnetyki są odpychane przez magnes. Materiały diamagnetyczne to: miedź, cynk, bizmut.

Paramagnetyki są to substancje, które w zewnętrznym polu magnetycznym o indukcji uzyskują indukowane namagnesowanie skierowane wzdłuż . Innymi słowy podatność magnetyczna paramagnetyków jest dodatnia. Do paramagnetyków należą substancje, w których atomy (cząsteczki) mają niezerowe momenty magnetyczne. Gdy brak zewnętrznego pola magnetycznego, momenty magnetyczne cząsteczek są zorientowane chaotyczne, tak że wypadkowe namagnesowanie substancji jest zerowe. W zewnętrznym polu magnetycznym każdy z momentów magnetycznych zaczyna wykonywać precesję Larmora dookoła wektora , wskutek czego substancja uzyskuje namagnesowanie skierowane równolegle do . Materiały paramagnetyczne umiejscawiają się w magnetycznym polu równolegle z kierunkiem linii wszystkich sił pola. Właściwości paramagnetyczne wykazują m.in.: mangan, chrom, i aluminium.

Magnetyki są to substancje które wykazują samoistne (spontaniczne) namagnesowanie niżej określonej temperatury (temperatury Curie ) nawet w nieobecności zewnętrznego pola magnetycznego. Temperatura Curie oddziela nieuporządkowaną fazę paramagnetyczną (przy ) od uporządkowanej magnetycznie fazy (przy ). Magnetyki wykazują dużą podatność magnetyczną i są podzielone na ferromagnetyki, antyferromagnetyki i ferrimagnetyki (rys.1.7).

W ferromagnetykach wszystkie momenty magnetyczne atomów są uporządkowane w jednym kierunku. Materiały ferromagnetyczne znajdujące się w polu magnetycznym jednocześnie ze wzrostem natężenia pola namagnesowują się, a po wyeliminowaniu pola magnetycznego wykazują własności magnetyczne. Materiały ferromagnetyczne to: kobalt, nikiel oraz niektóre ich węgliki i tlenki, a także żelazo. W ferromagnetykach, podobnie do ferroelektryków, w zerowym zewnętrznym polu magnetycznym powstają domeny o swoim namagnesowaniu , a zależność od indukcji zewnętrznego pola magnetycznego ma charakter pętli histerezy (rys.1.6).



Rys.1.7. Różne typy uporządkowania magnetycznego


W domenach antyferromagnetyków część momentów magnetycznych cząsteczek jest uporządkowana w jednym kierunku i tworzy wypadkowe namagnesowanie , zaś inna część jest uporządkowana w przeciwnym kierunku i wypadkowe namagnesowanie tych cząsteczek wynosi (rys.1.7).

W ferrimagnetykach, tak samo jak w antyferromagnetykach, mamy dwie (a czasami kilka) „podsieci” uporządkowanych momentów magnetycznych, jednak tutaj (rys.1.7).


Własności optyczne materiałów


Właściwości optyczne materiału opisuje się za pomocą: współczynnika absorpcji, załamania. Wielkości te są od siebie wzajemnie zależne. Są również związane z właściwościami dielektrycznymi i elektrycznymi materiału.

Współczynnik absorpcji określa natężenie przechodzącego przez materiał światła prawo Bouguera-Lamberta

. (1.23)

Dla szkła ,a dla metalu



Współczynnik załamania światła () określa stosunek prędkości światła w próżni do prędkości światła w materiale . Maxwell po raz pierwszy udowodnił, że światło jest falą elektromagnetycznej. Z teorii Maxwella wynika, że

. (1.24)

Dla szkła , a diamentu .

Współczynniki absorpcji i załamania zależą od częstości fali świetlnej. Zależność nosi nazwę dyspersji. Skutkiem dyspersji jest rozszczepienie światła „białego” padającego na granicę ośrodków pod kątem różnym od zera, załamują się pod różnymi kątami.

W niektórych kryształach obserwuje się zjawisko podwójnego załamania światła, polegające na tym, że padający na kryształ promień świetlny rozszczepia się na dwa promienie, które rozchodzą się w krysztale w różnych kierunkach z różnymi prędkościami (rys.1.8). Zjawisko to (zjawisko dwójłomności światła) obserwuje się tylko w strukturach anizotropowych (na przykład kryształach).



Rys.1.8. Zjawisko dwójłomności światła



Na rys.1.8 pokazana jest nie-spolaryzowana wiązka światła padająca na kryształ kalcytu prostopadle do jednej z jego ścian. Analizując obie wychodzące wiązki za pomocą płytki polaryzującej, znajdujemy, że obie wychodzące z kryształu wiązki są spolaryzowane liniowo, przy czym ich płaszczyzny drgań są wzajemnie prostopadłe.

Wiązki te są oznaczone na rysunku przez i . Jeżeli zmienimy kąt padania to okaże się, że jedna z wiązek, tzw. promień zwyczajny () spełnia prawo załamania (tak jak dla ośrodka izotropowego), a druga wiązka tzw. promień nadzwyczajny () nie spełnia tego prawa. Na rysunku kąt padania jest równy zeru więc i kąt załamania też powinien być zerowy i tak jest dla promienia () ale nie dla promienia ().

Pleochroizm (wielobarwność, polichroizm, dichroizm) – zjawisko zmiany barwy w zależności od polaryzacji światła przechodzącego przez ciało lub odbitego od ciała (dwójodbicie). Zjawisko to obserwuje się tylko w kryształach (jak i zjawisko dwójłomności) i jest wynikiem zależności współczynników absorpcji i odbicia światła od kierunku polaryzacji padającego światła. Zdolność kryształu odbijania światłą nazywa się połyskiem. Połysk, jak i ogólnie pleochroizm, są zależny od sposobu wycięcia płytki krystalicznej (orientacji optycznej szlifu). Zjawisko pleochroizmu występuje, na przykład, w kryształach turmalinu i innych kryształach.

Materiały różnią się względem zmian swoich właściwości optycznych w zewnętrznym polu elektrycznym (efekt elektrooptyczny) oraz pod wpływem przyłożonego z zewnątrz naprężenia mechanicznego (efekt elastooptyczny). Ponieważ cieplne rozszerzenie materiału deformuje kryształ, to efekt elastooptyczny może być spowodowany zmianami temperatury materiału. Elastooptyczny efekt może też powstać wskutek deformacji materiału w polu elektrycznym (efekt piezoelektryczny).

Gdy umieścimy materiał w polu elektrycznym o natężeniu materiał polaryzuje się

. (1.25)

Jeżeli główną role w zjawiskach optycznych zachodzących w materiale odgrywa pierwszy, liniowy względem człon, to mówimy, że mamy do czynienia z liniowymi właściwościami elektrooptycznymi materiału. W niektórych kryształach . Wtedy i mamy do czynienia z kwadratowymi właściwościami elektrooptycznymi materiału.

Przykładem efektu liniowego jest efekt elektrooptyczny (albo efekt Pockelsa) dla którego zależność współczynnika załamania światła od natężenia zewnętrznego pola elektrycznego określa wzór

, (1.26)

gdzie - charakterystyka kryształu.

Przykładem efektu kwadratowego jest efekt kwadratowy elektrooptyczny (albo efekt Kerra) dla którego zależność współczynnika załamania światła od natężenia zewnętrznego pola elektrycznego określa wzór

, (1.27)

gdzie jest charakterystyką materiału.



Efekty elektrooptyczne i elastooptyczne szeroko wykorzystują się jako urządzenia pomiaru temperatury, małych pól elektrycznych i mechanicznych. Elektrooptyczny efekt stosuje się w modulatorach światła, które pozwalają przekazywać za pomocą modulowanego światła informację.

Aktywnością optyczną nazywa się zdolność materiału skręcać płaszczyznę polaryzacji światła. Aktywność optyczna jest związana z pojęciem chiralności. Chiralność – właściwość strukturalna cząstki albo kryształu polegająca na tym, że obiekt i jego odbicie w płaskim zwierciadle nie pokrywają się ze sobą – mają się do siebie jak prawa ręka w stosunku do lewej. Przykładami optycznie aktywnych kryształów są kwarc, NaClO3 itd.





Pobieranie 73.18 Kb.





©absta.pl 2020
wyślij wiadomość

    Strona główna