Влияние энергии химических связей на свойства материалов
Свойства материалов определяются химическим составом и внутренним строением. При одном и том же химическом составе свойства материалов могут существенно отличаться в зависимости от условий их получения и эксплуатации.
Так как любой материал представляет собой продукт взаимодействия огромного количества атомов одного или нескольких химических элементов, то его свойства прежде всего зависят от типа и энергии химической связи составляющих атомов. При любом характере химического сродства частицы тела стремятся расположиться в таком порядке и на таких расстояниях, которые обусловливают относительный минимум энергии всей системы, иными словами, ее наиболее устойчивое в данных условиях состояние. Эти равновесные расстояния между частицами обозначим R0.
При очень больших взаимных расстояниях атомы практически не взаимодействуют друг с другом, так что энергию их можно считать постоянной и равной нулю. При уменьшении расстояния между атомами проявляются силы притяжения и потенциальная энергия понижается. При некотором равновесном расстоянии R=Ro энергия W принимает минимальное значение, а результирующая сила взаимодействия F = dW/dR становится равной нулю. При дальнейшем сближении частиц возникнут силы отталкивания, так как внешние слои атомов, заряженные отрицательно, придут в тесное соприкосновение.
В условиях равновесия частицы располагаются в минимумах потенциальной кривой — в «потенциальных ямах». Величина Wmin характеризует энергию связи частиц, т. е. ту энергию, которую нужно затратить, чтобы разобщить структурные элементы тела. Максимум величины F представляет собой теоретическое усилие, которое может выдержать тело при упругом растяжении. Величина ?W — энергия перехода частиц из одного относительно устойчивого состояния в другое.
Знание кривых взаимодействия позволяет судить о ряде общих свойств тел и особенностях их поведения. Чем ниже расположена точка Wmin, тем выше энергия связи частиц тела, выше его температура плавления, больше модуль упругости, меньше температурный коэффициент линейного расширения и т. д. Хотя точный вид кривой взаимодействия зависит от конкретных свойств взаимодействующих частиц и от направления, в котором она исследуется, однако в общих чертах ее вид определяется типом и энергией химической связи. При воздействии на тело силовых полей частицы тела смещаются из равновесных положений. При этом могут наблюдаться три случая.
1. Ни одна частица не перемещается через вершины потенциальных кривых (не переходит через потенциальные барьеры). Тогда мы имеем дело с упругими безгистерезисными явлениями, при которых состояние системы при данном значении поля одинаково как в процессе его приложения (при возрастании напряженности поля), так и в процессе уменьшения напряженности поля.
2. Некоторые слабо связанные или все частицы силовое поле перебрасывает через потенциальные барьеры из одного относительно устойчивого состояния в другое, но после снятия внешнего воздействия под влиянием внутренних напряжений или теплового движения устанавливается статистически первоначальное состояние. Это бывает тогда, когда осуществляются переходы через потенциальные барьеры, сравниваемые по порядку со средней тепловой энергией частиц. В этом случае происходят упруго-гистерезисные процессы. Такие процессы характеризуют замкнутыми кривыми, называемыми циклами гистерезиса.
3. Если поле перемещает частицы через достаточно высокие потенциальные барьеры, то при снятии внешнего воздействия проявляется остаточный эффект. Он наблюдается при пластической деформации металлов, получении постоянных магнитов, электретов и т. д.
Если во втором или третьем случае, т. е. при переходе через потенциальные барьеры, процесс идет последовательно, то после перехода возникают «пробойные явления» — электрический ток, течение материала и т.п.
