Твердый

Монокристаллическая форма твердого инсулина .

Твердое тело - одно из четырех основных состояний материи (другие - жидкость , газ и плазма ). Молекулы в твердом теле плотно упакованы вместе и содержат наименьшее количество кинетической энергии. Твердое тело характеризуется структурной жесткостью и сопротивлением силе, приложенной к поверхности. В отличие от жидкости, твердый объект не течет, принимая форму своего сосуда, и не расширяется, чтобы заполнить весь доступный объем, как газ. Атомы в твердом теле связаны друг с другом либо в правильной геометрической решетке ( кристаллические твердые тела , включая металлы и обычный лед ), либо нерегулярно (аморфное твердое тело, такое как обычное оконное стекло). Твердые тела нельзя сжимать с небольшим давлением, тогда как газы можно сжимать с небольшим давлением, потому что молекулы в газе неплотно упакованы.

Раздел физики, который имеет дело с твердым телом, называется физикой твердого тела и является основным разделом физики конденсированного состояния (который также включает жидкости). Материаловедение в первую очередь занимается физическими и химическими свойствами твердых тел. Химия твердого тела особенно занимается синтезом новых материалов, а также наукой об идентификации и химическом составе .

Микроскопическое описание [ править ]

Атомы, молекулы или ионы, из которых состоят твердые тела, могут быть расположены в упорядоченно повторяющемся узоре или нерегулярно. Материалы, составляющие которых расположены в правильном порядке, известны как кристаллы . В некоторых случаях регулярное упорядочивание может продолжаться непрерывно в больших масштабах, например, в алмазах, где каждый алмаз представляет собой монокристалл . Твердые объекты, которые достаточно велики, чтобы их можно было видеть и с которыми можно было обращаться, редко состоят из монокристалла, вместо этого они состоят из большого количества монокристаллов, известных как кристаллиты , размер которых может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких метров. Такие материалы называют поликристаллическими . Почти все обычные металлы и многие керамические изделия поликристаллические.

В других материалах дальний порядок в положении атомов отсутствует. Эти твердые вещества известны как аморфные твердые вещества ; примеры включают полистирол и стекло.

Является ли твердое вещество кристаллическим или аморфным, зависит от материала и условий, в которых оно образовалось. Твердые вещества, которые образуются при медленном охлаждении, будут иметь тенденцию быть кристаллическими, тогда как твердые вещества, которые быстро замораживаются, с большей вероятностью будут аморфными. Точно так же конкретная кристаллическая структура кристаллического твердого тела зависит от материала и от того, как он был образован.

Хотя многие обычные объекты, такие как кубик льда или монета, химически идентичны, многие другие распространенные материалы содержат ряд различных веществ, упакованных вместе. Например, типичная порода представляет собой совокупность нескольких различных минералов и минералоидов без определенного химического состава. Дерево - это натуральный органический материал, состоящий в основном из целлюлозных волокон, встроенных в матрицу из органического лигнина . В материаловедении можно разработать композиты из более чем одного составляющего материала, чтобы они имели желаемые свойства.

Классы твердых тел [ править ]

Силы между атомами в твердом теле могут принимать самые разные формы. Например, кристалл хлорида натрия (поваренная соль) состоит из ионных натрия и хлора , которые удерживаются вместе ионными связями . ^[1] В алмазе ^[2] или кремнии атомы разделяют электроны и образуют ковалентные связи . ^[3] В металлах электроны связаны металлической связью . ^[4] Некоторые твердые вещества, особенно большинство органических соединений, удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса.в результате поляризации облака электронного заряда на каждой молекуле. Различия между типами твердых тел объясняются различиями в их сцеплении.

Металлы [ править ]

Металлы обычно являются прочными, плотными и хорошо проводят как электричество, так и тепло . ^{[5] [6]} Основная часть элементов в периодической таблице , те, что слева от диагональной линии, проведенной от бора к полонию , являются металлами. Смеси двух или более элементов, в которых основным компонентом является металл, известны как сплавы .

С доисторических времен люди использовали металлы для самых разных целей. Прочность и надежность металлов привело к их широкому использованию в строительстве зданий и сооружений, а также в большинстве автомобилей, много техники и инструментов, труб, дорожных знаков и железнодорожных путей. Железо и алюминий - два наиболее часто используемых конструкционных металла. Они также являются самыми распространенными металлами в земной коре . Чаще всего железо используется в виде сплава - стали, которая содержит до 2,1% углерода , что делает его намного более твердым, чем чистое железо.

Поскольку металлы являются хорошими проводниками электричества, они ценны в электроприборах и для передачи электрического тока на большие расстояния с небольшими потерями или рассеянием энергии. Таким образом, электрические сети используют металлические кабели для распределения электроэнергии. Например, домашние электрические системы имеют медную проводку из-за ее хороших проводящих свойств и простоты обработки. Высокая теплопроводность большинства металлов также делает их пригодными для использования в кухонных плитах.

Изучение металлических элементов и их сплавов составляет значительную часть областей химии твердого тела, физики, материаловедения и техники.

Металлические твердые тела удерживаются вместе высокой плотностью общих делокализованных электронов, известной как « металлическая связь ». В металле атомы легко теряют свои внешние («валентные») электроны , образуя положительные ионы . Свободные электроны распределены по всему твердому телу, которое прочно удерживается вместе за счет электростатических взаимодействий между ионами и электронным облаком. ^[7] Большое количество свободных электронов придает металлам высокие значения электрической и теплопроводности. Свободные электроны также препятствуют пропусканию видимого света, делая металлы непрозрачными, блестящими и блестящими .

Более продвинутые модели свойств металлов учитывают влияние ядер положительных ионов на делокализованные электроны. Поскольку большинство металлов имеют кристаллическую структуру, эти ионы обычно образуют периодическую решетку. Математически потенциал ионных остовов можно рассматривать с помощью различных моделей, самой простой из которых является модель почти свободных электронов .

Минералы [ править ]

Минералы - это твердые вещества природного происхождения, образующиеся в результате различных геологических процессов ^[8] под высоким давлением. Чтобы быть классифицированным как настоящий минерал, вещество должно иметь кристаллическую структуру с однородными физическими свойствами. Состав минералов варьируется от чистых элементов и простых солей до очень сложных силикатов с тысячами известных форм. Напротив, образец породы представляет собой случайную совокупность минералов и / или минералоидов и не имеет определенного химического состава. Подавляющее большинство пород земной коры состоит из кварца (кристаллический SiO ₂ ), полевого шпата, слюды, хлорита., каолин , кальцит, эпидот , оливин , авгит , роговая обманка , магнетит , гематит , лимонит и некоторые другие минералы. Некоторые минералы, такие как кварц , слюда или полевой шпат, широко распространены, в то время как другие были обнаружены лишь в нескольких местах по всему миру. Самая большая группа минералов - это силикаты (большинство пород состоят на ≥95% силикатов), которые состоят в основном из кремния и кислорода с добавлением ионов алюминия, магния , железа, кальция. и другие металлы.

Керамика [ править ]

Керамические твердые тела состоят из неорганических соединений, обычно оксидов химических элементов. ^[9] Они химически инертны и часто способны противостоять химической эрозии, которая происходит в кислой или едкой среде. Керамика обычно выдерживает высокие температуры от 1000 до 1600 ° C (от 1800 до 3000 ° F). Исключение составляют неоксидные неорганические материалы, такие как нитриды , бориды и карбиды .

Традиционное керамическое сырье включает глинистые минералы, такие как каолинит , более современные материалы включают оксид алюминия ( глинозем ). Современные керамические материалы, которые классифицируются как современная керамика, включают карбид кремния и карбид вольфрама . Оба материала ценятся за их стойкость к истиранию и, следовательно, находят применение в таких областях применения, как износостойкие пластины дробильного оборудования при горных работах.

Большинство керамических материалы, такие как оксид алюминий и его соединения, которые образуются из тонких порошков, что дает мелкозернистую поликристаллическую микроструктуру , которая заполнена светорассеивающими центры , сравнимым с длиной волны от видимого света . Таким образом, они обычно представляют собой непрозрачные материалы в отличие от прозрачных материалов . Однако недавние наноразмерные (например, золь-гель ) технологии сделали возможным производство поликристаллической прозрачной керамики, такой как прозрачный оксид алюминия и соединения оксида алюминия, для таких применений, как мощные лазеры. Современная керамика также используется в медицине, электротехнике и электронной промышленности.

Керамическая инженерия - это наука и технология создания твердотельных керамических материалов, деталей и устройств. Это происходит либо под действием тепла, либо, при более низких температурах, с использованием реакций осаждения из химических растворов. Этот термин включает очистку сырья, изучение и производство соответствующих химических соединений, их превращение в компоненты и изучение их структуры, состава и свойств.

С механической точки зрения керамические материалы хрупкие, твердые, сильные при сжатии и слабые при сдвиге и растяжении. Хрупкие материалы могут проявлять значительную прочность на разрыв , выдерживая статическую нагрузку. Вязкость показывает, сколько энергии может поглотить материал до механического разрушения, в то время как вязкость разрушения (обозначается K _Ic ) описывает способность материала с присущими ему микроструктурными дефектами сопротивляться разрушению за счет роста и распространения трещин. Если материал имеет большое значение вязкости разрушения , основные принципы механики разрушенияпредполагают, что он, скорее всего, подвергнется пластическому разрушению. Хрупкое разрушение очень характерно для большинства керамических и стеклокерамических материалов, которые обычно имеют низкие (и несовместимые) значения K _Ic .

В качестве примера применения керамики экстремальная твердость диоксида циркония используется при производстве лезвий ножей, а также других промышленных режущих инструментов. Керамика, такая как оксид алюминия , карбид бора и карбид кремния , использовалась в пуленепробиваемых жилетах для отражения огня из крупнокалиберных винтовок. Детали из нитрида кремния используются в керамических шарикоподшипниках, высокая твердость которых делает их износостойкими. В общем, керамика также химически устойчива и может использоваться во влажных средах, где стальные подшипники могут быть подвержены окислению (или ржавчине).

В качестве еще одного примера применения керамики в начале 1980-х годов Toyota исследовала производство адиабатического керамического двигателя с рабочей температурой более 6000 ° F (3300 ° C). Керамические двигатели не требуют системы охлаждения и, следовательно, позволяют значительно снизить вес и, следовательно, повысить топливную эффективность. В обычном металлическом двигателе большая часть энергии, выделяющейся из топлива, должна рассеиваться в виде отработанного тепла , чтобы предотвратить расплавление металлических частей. Также ведутся работы по разработке керамических деталей для газотурбинных двигателей.. Турбинные двигатели, сделанные из керамики, могли работать более эффективно, давая самолету большую дальность полета и полезную нагрузку при определенном количестве топлива. Однако такие двигатели не производятся, поскольку изготовление керамических деталей с достаточной точностью и долговечностью является трудным и дорогостоящим. Методы обработки часто приводят к широкому распространению микроскопических дефектов, которые часто играют пагубную роль в процессе спекания, приводя к распространению трещин и окончательному механическому разрушению.

Стеклокерамика [ править ]

Стеклокерамические материалы имеют много общих свойств как с некристаллическими стеклами, так и с кристаллической керамикой . Они формируются в виде стекла, а затем частично кристаллизуются с помощью термической обработки, образуя как аморфную, так и кристаллическую фазы, так что кристаллические зерна внедряются в некристаллическую межзерновую фазу.

Стеклокерамика используется для изготовления посуды (первоначально известной под торговой маркой CorningWare ) и плит, которые обладают как высокой устойчивостью к тепловому удару, так и чрезвычайно низкой проницаемостью для жидкостей. Отрицательный коэффициент теплового расширения кристаллической керамической фазы можно уравновесить положительным коэффициентом стеклообразной фазы. В определенной точке (~ 70% кристаллической) стеклокерамика имеет чистый коэффициент теплового расширения, близкий к нулю. Стеклокерамика этого типа демонстрирует превосходные механические свойства и может выдерживать многократные и быстрые изменения температуры до 1000 ° C.

Стеклокерамика также может возникать естественным образом, когда молния поражает кристаллические зерна (например, кварца), которые встречаются в большинстве пляжных песков . В этом случае экстремальный и немедленный нагрев молнии (~ 2500 ° C) создает полые разветвленные корнеподобные структуры, называемые фульгуритом, посредством плавления .

Органические твердые вещества [ править ]

Органическая химия изучает структуру, свойства, состав, реакции и получение путем синтеза (или другими способами) химических соединений углерода и водорода , которые могут содержать любое количество других элементов, таких как азот , кислород и галогены: фтор , хлор , бром и йод . Некоторые органические соединения могут также содержать элементы фосфор или серу . Примеры твердых органических веществ включают древесину, парафиновый воск , нафталин и широкий спектр полимеров и пластиков..

Вуд [ править ]

Древесина - это натуральный органический материал, состоящий в основном из целлюлозных волокон, встроенных в матрицу лигнина . Что касается механических свойств, волокна обладают прочностью при растяжении, а лигниновая матрица сопротивляется сжатию. Таким образом, древесина была важным строительным материалом с тех пор, как люди начали строить укрытия и использовать лодки. Древесина, используемая для строительных работ, обычно известна как пиломатериалы или древесина . В строительстве древесина является не только конструкционным материалом, но также используется для формирования формы для бетона.

Древесные материалы также широко используются для упаковки (например, картона) и бумаги, которые создаются из очищенной целлюлозы. В процессах химической варки целлюлозы используется сочетание высокотемпературных и щелочных (крафт) или кислых (сульфитных) химикатов для разрыва химических связей лигнина перед его сжиганием.

Полимеры [ править ]

Одним из важных свойств углерода в органической химии является то, что он может образовывать определенные соединения, отдельные молекулы которых способны присоединяться друг к другу, образуя цепь или сеть. Этот процесс называется полимеризацией и цепями или сетками полимеров, в то время как исходным соединением является мономер. Существуют две основные группы полимеров: те, которые производятся искусственно, называются промышленными полимерами или синтетическими полимерами (пластиками), а те, которые встречаются в природе, - биополимерами.

Мономеры могут иметь различные химические заместители или функциональные группы, которые могут влиять на химические свойства органических соединений, такие как растворимость и химическая реакционная способность, а также на физические свойства, такие как твердость, плотность, механическая прочность или прочность на разрыв, сопротивление истиранию, нагрев. устойчивость, прозрачность, цвет и т. д. В белках эти различия придают полимеру способность принимать биологически активную конформацию в предпочтении по сравнению с другими (см. самосборку ).

Люди веками использовали натуральные органические полимеры в виде восков и шеллака , который классифицируется как термопластичный полимер. Растительный полимер под названием целлюлоза обеспечивает прочность на разрыв для натуральных волокон и веревок, а к началу 19 века натуральный каучук получил широкое распространение. Полимеры - это сырье (смолы), используемое для производства того, что обычно называют пластмассой. Пластмассы - это конечный продукт, созданный после того, как один или несколько полимеров или добавок были добавлены в смолу во время обработки, которой затем придают окончательную форму. Полимеры, которые существуют и широко используются в настоящее время, включают полиэтилен на основе углерода , полипропилен , поливинилхлорид ,полистирол , нейлон, полиэфиры , акрил , полиуретан и поликарбонаты , а также силиконы на основе силикона . Пластмассы обычно классифицируются как «товарные», «специальные» и «инженерные».

Композитные материалы [ править ]

Композиционные материалы содержат две или более макроскопических фаз, одна из которых часто керамическая. Например, непрерывная матрица и дисперсная фаза керамических частиц или волокон.

Применения композитных материалов варьируются от конструктивных элементов, таких как железобетон, до теплоизолирующих плиток, которые играют ключевую и неотъемлемую роль в системе термозащиты космического шаттла НАСА , которая используется для защиты поверхности шаттла от высокой температуры. -вход в атмосферу Земли. Одним из примеров является усиленный углерод-углерод (RCC), светло-серый материал, который выдерживает температуру входа в атмосферу до 1510 ° C (2750 ° F) и защищает носовую часть и передние кромки крыльев космического шаттла. RCC - ламинированный композитный материал, изготовленный из графитовой вискозной ткани и пропитанный фенольной смолой.. После отверждения при высокой температуре в автоклаве ламинат подвергается пиролизу для превращения смолы в углерод, пропитывается фурфуроловым спиртом в вакуумной камере и отверждается / пиролизируется для превращения фурфуролового спирта в углерод. Чтобы обеспечить стойкость к окислению для возможности повторного использования, внешние слои RCC преобразованы в карбид кремния.

Отечественные образцы композитов можно увидеть в «пластиковых» корпусах телевизоров, сотовых телефонов и так далее. Эти пластиковые оболочки обычно представляют собой композит, состоящий из термопластической матрицы, такой как акрилонитрилбутадиенстирол (АБС), в который добавлены мел карбонат кальция , тальк , стекловолокно или углеродные волокна для прочности, объема или электростатического диспергирования. Эти добавки могут называться армирующими волокнами или диспергаторами, в зависимости от их назначения.

Таким образом, матричный материал окружает и поддерживает армирующие материалы, сохраняя их относительное положение. Армирующие элементы придают свои особые механические и физические свойства для улучшения свойств матрицы. Синергизм обеспечивает свойства материала, недоступные для отдельных составляющих материалов, в то время как широкий выбор матричных и упрочняющих материалов предоставляет проектировщику возможность выбора оптимальной комбинации.

Полупроводники [ править ]

Полупроводники - это материалы, которые имеют удельное электрическое сопротивление (и проводимость) между металлическими проводниками и неметаллическими изоляторами. Их можно найти в таблице Менделеева, двигаясь по диагонали вниз прямо от бора . Они отделяют электрические проводники (или металлы слева) от изоляторов (справа).

Устройства, изготовленные из полупроводниковых материалов, являются основой современной электроники, включая радио, компьютеры, телефоны и т.д. Полупроводниковые устройства включают транзисторы , солнечные элементы , диоды и интегральные схемы . Солнечные фотоэлектрические панели - это большие полупроводниковые устройства, которые напрямую преобразуют свет в электрическую энергию.

В металлическом проводнике ток переносится потоком электронов », но в полупроводниках ток может переноситься либо электронами, либо положительно заряженными« дырками »в электронной зонной структуре материала. Обычные полупроводниковые материалы включают кремний, германий и арсенид галлия .

Наноматериалы [ править ]

Многие традиционные твердые тела проявляют различные свойства при сжатии до нанометрового размера. Например, наночастицы обычно желтого золота и серого кремния имеют красный цвет; наночастицы золота плавятся при гораздо более низких температурах (~ 300 ° C для размера 2,5 нм), чем золотые пластины (1064 ° C); ^[10] и металлические нанопроволоки намного прочнее соответствующих объемных металлов. ^{[11] [12]} Большая площадь поверхности наночастиц делает их чрезвычайно привлекательными для определенных приложений в области энергетики. Например, платиновые металлы могут улучшить качество автомобильных топливных катализаторов , а также топливных элементов с протонообменной мембраной (PEM). Также керамические оксиды (или керметы) лантана ,церий , марганец и никель в настоящее время разрабатываются как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). Литий, литий-титанат и наночастицы тантала используются в литий-ионных батареях. Было показано, что наночастицы кремния значительно увеличивают емкость литий-ионных аккумуляторов во время цикла расширения / сжатия. Кремниевые нанопроволоки циклически повторяются без значительной деградации и представляют потенциал для использования в батареях со значительно увеличенным временем хранения. Наночастицы кремния также используются в новых формах солнечных батарей. Осаждение тонких пленок кремниевых квантовых точекна подложке из поликристаллического кремния фотоэлектрического (солнечного) элемента увеличивает выходное напряжение на 60% за счет флуоресценции входящего света перед захватом. Здесь снова площадь поверхности наночастиц (и тонких пленок) играет решающую роль в максимальном увеличении количества поглощенного излучения.

Биоматериалы [ править ]

Многие природные (или биологические) материалы представляют собой сложные композиты с замечательными механическими свойствами. Эти сложные структуры, возникшие в результате сотен миллионов лет эволюции, вдохновляют материаловедов на разработку новых материалов. Их определяющие характеристики включают структурную иерархию, многофункциональность и способность к самовосстановлению. Самоорганизация также является фундаментальной особенностью многих биологических материалов и способом сборки структур, начиная с молекулярного уровня. Таким образом, самосборка становится новой стратегией химического синтеза высокоэффективных биоматериалов.

Физические свойства [ править ]

Физические свойства элементов и соединений, которые являются убедительным доказательством химического состава, включают запах, цвет, объем, плотность (масса на единицу объема), точку плавления, точку кипения, теплоемкость, физическую форму и форму при комнатной температуре (твердое тело, жидкость или газ. ; кубические, тригональные кристаллы и др.), твердость, пористость, показатель преломления и многие другие. В этом разделе обсуждаются некоторые физические свойства материалов в твердом состоянии.

Механический [ править ]

Механические свойства материалов описывают такие характеристики, как их прочность и сопротивление деформации. Например, стальные балки используются в строительстве из-за их высокой прочности, что означает, что они не ломаются и не изгибаются значительно под действием приложенной нагрузки.

Механические свойства включают эластичность и пластичность , прочность на разрыв , прочность на сжатие , прочность на сдвиг , вязкость разрушения , пластичность (низкая в хрупких материалов), а также твердость отступа . Механика твердого тела - это изучение поведения твердого вещества при внешних воздействиях, таких как внешние силы и изменения температуры.

Твердое тело не демонстрирует макроскопический поток, как жидкости. Любая степень отклонения от первоначальной формы называется деформацией . Отношение деформации к исходному размеру называется деформацией. Если приложенное напряжение достаточно низкое, почти все твердые материалы ведут себя таким образом, что деформация прямо пропорциональна напряжению ( закон Гука ). Коэффициент пропорциональности называется модулем упругости или модулем Юнга . Эта область деформации известна как линейно-упругая область. Три модели могут описать, как твердое тело реагирует на приложенное напряжение:

• Эластичность - когда приложенное напряжение снимается, материал возвращается в недеформированное состояние.
• Вязкоупругость - это материалы, которые ведут себя упруго, но также обладают демпфированием . Когда приложенное напряжение снимается, должна выполняться работа, направленная против демпфирующих эффектов, и она преобразуется в тепло внутри материала. Это приводит к появлению петли гистерезиса на кривой напряжение – деформация. Это означает, что механический отклик зависит от времени.
• Пластичность - материалы, которые ведут себя упруго, как правило, ведут себя так, когда приложенное напряжение меньше предела текучести. Когда напряжение превышает предел текучести, материал ведет себя пластично и не возвращается в свое предыдущее состояние. То есть необратимая пластическая деформация (или вязкое течение) происходит после постоянной текучести.

Многие материалы становятся слабее при высоких температурах. Материалы, которые сохраняют свою прочность при высоких температурах, называемые огнеупорными материалами , полезны для многих целей. Например, стеклокерамика стала чрезвычайно полезной для приготовления пищи на столешнице, поскольку она демонстрирует отличные механические свойства и может выдерживать повторяющиеся и быстрые изменения температуры до 1000 ° C. В аэрокосмической промышленности материалы с высокими эксплуатационными характеристиками, используемые в конструкции экстерьера самолетов и / или космических кораблей, должны обладать высокой стойкостью к тепловому удару. Таким образом, синтетические волокна, полученные из органических полимеров и композитных материалов полимер / керамика / металл, а также армированные волокном полимеры, теперь разрабатываются с этой целью.

Термальный [ править ]

Поскольку твердые тела обладают тепловой энергией , их атомы колеблются около фиксированных средних положений в упорядоченной (или неупорядоченной) решетке. Спектр колебаний решетки в кристаллической или стеклянной сетке составляет основу кинетической теории твердых тел . Это движение происходит на атомном уровне, и поэтому его нельзя наблюдать или регистрировать без высокоспециализированного оборудования, например, используемого в спектроскопии .

Тепловые свойства твердых тел включают теплопроводность , которая является свойством материала, указывающим на его способность проводить тепло . Твердые тела также обладают удельной теплоемкостью , которая представляет собой способность материала накапливать энергию в виде тепла (или тепловых колебаний решетки).

Электрика [ править ]

Электрические свойства включают проводимость , сопротивление, импеданс и емкость . Электрические проводники, такие как металлы и сплавы, контрастируют с электрическими изоляторами, такими как стекло и керамика. Полупроводники ведут себя где-то посередине. В то время как проводимость в металлах обусловлена ​​электронами, в полупроводниках и электроны, и дырки вносят свой вклад в ток. В качестве альтернативы ионы поддерживают электрический ток в ионных проводниках .

Многие материалы также проявляют сверхпроводимость при низких температурах; они включают металлические элементы, такие как олово и алюминий, различные металлические сплавы, некоторые сильно легированные полупроводники и определенную керамику. Удельное электрическое сопротивление большинства электрических (металлических) проводников обычно постепенно уменьшается с понижением температуры, но остается конечным. Однако в сверхпроводнике сопротивление резко падает до нуля, когда материал охлаждается ниже критической температуры. Электрический ток, протекающий в петле из сверхпроводящего провода, может сохраняться бесконечно без источника питания.

Диэлектрик или электрический изолятор, представляет собой вещество , которое обладает высокой устойчивостью к протеканию электрического тока. Диэлектрик, такой как пластик, имеет тенденцию концентрировать приложенное электрическое поле внутри себя, и это свойство используется в конденсаторах. Конденсатор представляет собой электрическое устройство , которое может хранить энергию в электрическом поле между парой близко расположенными проводниками (называемым «пластинами»). Когда на конденсатор подается напряжение, на каждой пластине накапливаются электрические заряды одинаковой величины, но противоположной полярности. Конденсаторы используются в электрических цепях в качестве накопителей энергии, а также в электронных фильтрах, чтобы различать высокочастотные и низкочастотные сигналы.

Электромеханический [ править ]

Пьезоэлектричество - это способность кристаллов генерировать напряжение в ответ на приложенное механическое напряжение. Пьезоэлектрический эффект обратим в том смысле, что пьезоэлектрические кристаллы при воздействии внешнего приложенного напряжения могут незначительно изменять форму. Полимерные материалы, такие как резина, шерсть, волосы, древесное волокно и шелк, часто ведут себя как электреты . Например, полимерный поливинилиденфторид (PVDF) демонстрирует пьезоэлектрический отклик в несколько раз больший, чем традиционный пьезоэлектрический материал кварц (кристаллический SiO ₂ ). Деформация (~ 0,1%) подходит для полезных технических применений, таких как источники высокого напряжения, громкоговорители, лазеры, а также химические, биологические и акустооптические датчики и / или преобразователи.

Оптический [ править ]

Материалы могут пропускать (например, стекло) или отражать (например, металлы) видимый свет.

Материалы обычно делятся на три категории: прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные.

Прозрачные материалы Позволяют световым лучам полностью проходить сквозь них. Примеры - чистая вода, чистое стекло. Полупрозрачные материалы позволяют световым лучам частично проходить сквозь них. Примеры - нечистая вода, масло, испорченное окно. Непрозрачные материалы не пропускают свет. Примеры - дерево, железо, пластик.

Многие материалы будут передавать одни длины волн, блокируя другие. Например, оконное стекло прозрачно для видимого света , но гораздо меньше для большинства частот ультрафиолетового света, вызывающих солнечный ожог . Это свойство используется для частотно-избирательных оптических фильтров, которые могут изменять цвет падающего света.

Для некоторых целей могут быть интересны как оптические, так и механические свойства материала. Например, датчики на ракете инфракрасного самонаведения («теплового наведения ») должны быть защищены крышкой, прозрачной для инфракрасного излучения . В настоящее время предпочтительным материалом для изготовления куполов высокоскоростных ракет с инфракрасным наведением является монокристалл сапфира.. Оптическое пропускание сапфира на самом деле не распространяется на весь средний инфракрасный диапазон (3-5 мкм), но начинает падать на длинах волн, превышающих примерно 4,5 мкм при комнатной температуре. Хотя прочность сапфира лучше, чем у других доступных материалов для инфракрасных куполов среднего диапазона при комнатной температуре, он ослабевает при температуре выше 600 ° C. Между оптической полосой пропускания и механической прочностью существует давний компромисс; новые материалы, такие как прозрачная керамика или оптические нанокомпозиты, могут обеспечить улучшенные характеристики.

Управляемая передача световых волн включает в себя поле волоконной оптики и способность определенных очков передавать одновременно и с малой потерей интенсивности диапазон частот (многомодовые оптические волноводы) с небольшими интерференциями между ними. Оптические волноводы используются в качестве компонентов в интегральных оптических схемах или в качестве среды передачи в системах оптической связи.

Оптоэлектроника [ править ]

Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент - это устройство, преобразующее световую энергию в электрическую. По сути, устройство должно выполнять только две функции: фотогенерацию носителей заряда (электронов и дырок) в светопоглощающем материале и разделение носителей заряда на проводящий контакт, который будет передавать электричество (проще говоря, переносить электроны. выключить через металлический контакт во внешнюю цепь). Это преобразование называется фотоэлектрическим эффектом , а область исследований, связанных с солнечными элементами, известна как фотовольтаика.

Солнечные элементы имеют множество применений. Они давно используются в ситуациях, когда электрическая энергия из сети недоступна, например, в энергосистемах удаленных районов, спутниках на околоземной орбите и космических зондах, портативных калькуляторах, наручных часах, удаленных радиотелефонах и приложениях для откачки воды. В последнее время их начинают использовать в сборках солнечных модулей (фотоэлектрических батарей), подключенных к электросети через инвертор, который должен действовать не как единственный источник питания, а как дополнительный источник электроэнергии.

Всем солнечным элементам требуется светопоглощающий материал, содержащийся в структуре элемента для поглощения фотонов и генерации электронов за счет фотоэлектрического эффекта . Материалы, используемые в солнечных элементах, имеют свойство преимущественно поглощать те длины волн солнечного света, которые достигают поверхности земли. Некоторые солнечные элементы также оптимизированы для поглощения света за пределами атмосферы Земли.

Ссылки [ править ]

Внешняя ссылка [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме твердых тел (материи) .

• Твердое тело (состояние вещества) в Британской энциклопедии

Фазовые переходы вещества (

• v
• т
• е

)

		К
		Твердый	Жидкость	Газ	Плазма
Из	Твердый		Плавление	Сублимация
	Жидкость	Замораживание		Испарение
	Газ	Отложение	Конденсация		Ионизация
	Плазма			Рекомбинация