Pevné Látky - Fyzika

Pevné látky

Pevné látky představují jedno ze tří základních skupenství. Setkáváme se s nimi v běžném životě vůbec nejčastěji. Pevné látky mají určité charakteristické vlastnosti, na jejichž podkladě se potom chovají. Základními vlastnostmi jsou fakta, že částice, ze kterých se pevné látky skládají, jsou rozmístěny velmi blízko sebe, působí na sebe buď přitažlivými, nebo odpudivými silami, téměř se nepohybují, pouze vibrují kolem své rovnovážné polohy. Pevné látky také mají svůj stálý tvar i objem.

Pevné látky lze rozdělit na krystalické a amorfní.

Krystalické pevné látky

Krystalické látky se vyznačují pravidelným uspořádáním stavebních částic. Jejich rozložení se periodicky opakuje v celém krystalu. Krystalické látky se dělí na další podskupiny:

1. monokrystaly

• pravidelné geometrické tvary
• všechny částice se vyskytují v jedné krystalové struktuře
• vlastnosti krystalu se v jednotlivých směrech mohou lišit, tzn., že jsou anizotropní

2. polykrystaly

• nepravidelné geometrické tvary
• větší počet drobných krystalů
• vlastnosti krystalu jsou ve všech směrech stejné, tzn., že jsou izotropní.

Amorfní látky

Amorfní krystaly jsou charakteristické svou nepravidelnou strukturou uspořádání. Typickými zástupci jsou například sklo nebo asfalt.

Krystalová mřížka

Jak již bylo řečeno, pevné látky se skládají z malých stavebních částic. Pro zkoumání vlastností pevných látek se zavádí krystalová mřížka, což je jakýsi model, který symbolizuje, jak vypadá stavba krystalické pevné látky.

Základem je elementární buňka, která je vždy rovnoběžnostěn. Nejjednodušší případ je mřížka, která má uspořádání krychlové. Krychlová mřížka může být prostá (primitivní) – stavební částice má jen ve vrcholech krychle (8 bodů), plošně centrovaná – stavební částice jsou ve vrcholech krychle a středech stěn (14 bodů), prostorově centrovaná – stavební částice jsou ve vrcholech krychle a středu krychle (9 bodů).

Částice za normálního stavu kmitají kolem svých rovnovážných poloh.

V reálných krystalech se velmi často vyskytují určité odchylky od ideální krystalové mřížky, jedná se o bodové poruchy. Zmiňme si ty nejpodstatnější:

1. Vakance částice

• v krystalové mřížce je jedno místo nezaplněno

2. Intersticiální poloha částice

• částice leží mimo pravidelný bod mřížky, porucha může doprovázet i vakanci

3. Příměsi

• v krystalové mřížce jsou určité atomy navíc, jedná se o atomy jiných prvků, než těch, co tvoří danou pevnou látku

Síly působící v pevných látkách – vnitřní síly

V pevných látkách se vyskytuje působení několika sil, které ovlivňují výsledné chování látky.

1. Iontová síla

• Jedná se o přitažlivou sílu mezi kationty a anionty, tedy základní stavební částice pevné látky, díky této síle drží pevná látka pohromadě

2. Kovová síla

• Jedná se o odpudivé elektrické síly kationtů kovu, které nepustí atomy na novou polohu

3. Kovalentní síla

• Jedná se o chemickou vazbu mezi atomy

4. Molekulová síla

• Jedná se o síly mezi molekulami, jsou poměrně slabé

Působení vnějších sil - deformace

Na pevnou látku mohou kromě vnitřních sil působit i síly vnější, které obvykle vyvolávají změnu vzhledu tělesa.

Když na pevné těleso působíme silou, dojde ke změně tvaru nebo objemu tzv. deformaci tělesa. Existují dva druhy deformací:

1. Pružná deformace

• Po vymizení působící síly se těleso vrátí do původního stavu

2. Tvárná deformace

• I po vymizení působící síly již zůstane těleso v novém změněném stavu

K deformaci tělesa dochází v závislosti působení vnějších sil, které vznikají z několika příčin:

• Působení tahu - dvě síly působí ven z tělesa (lano výtahu)
• Působení tlaku – dvě síly působí dovnitř tělesa (nosné pilíře)
• Působení ohybu – spodní vrstvy tělesa jsou deformovány tahem, horní vrstvy tělesa potom tlakem, střed zůstává zachován (most)
• Působení smyku – na horní a na dolní podstavu tělesa působí tečné síly, které způsobují vzájemné posunutí jednotlivých vrstev tělesa (nýt)
• Působení kroucení - na koncích tyče působí dvojice sil tak, že momenty působí proti sobě (vrták)

Hookův zákon

Deformaci tělesa popisuje Hookův zákon. Jedná se o poučku, která vyjadřuje závislost mezi relativním prodloužením a mechanickým napětím. Ten je dán při deformaci tahem nebo tlakem základním matematickým vztahem:

ε = σ / E,

kde ε je relativní (poměrné) prodloužení – jedná se o bezjednotkovou veličinu, σ je mechanické napětí vyjadřované v Pascalech (Pa) a E je modul pružnosti, který nalezneme pro danou látku v tabulkách, jeho jednotkou je Pascal (Pa).  

Př.1: Určeme relativní prodloužení ocele, která má modul pružnosti 210 GPa, pokud na ni působí mechanické napětí 420 kPa

ε = ?

σ = 420 kPa = 420 000 Pa

E = 210 GPa = 210 000 000 Pa

ε = σ / E = 420 000 Pa / 210 000 000 Pa = 0,02

• Jedná se o velmi jednoduchý příklad, kdy stačí pouze ve správně převedených základních jednotkách dosadit do Hookova zákona

Problematika Hookova zákona je mnohem složitější, poučka existuje pro každou možnou působící vnější sílu v trochu odlišné variantě, my jsme si uvedli pouze základní a nejjednoduší pro deformaci, která je vyvolána tlakem nebo tahem.