 |
|
ТРИЗ-задание 40. Термочувствительные устройства
Используя материалы сети Интернет, изучите конструкцию и принцип действия следующих термочувствительных устройств: конус Зегера (пироскоп), термометр Галилея, термочувствительная краска, термоиндикаторный карандаш, терморисунок, термоплёнка, термокристалл. Назовите изобретательские приёмы, которые реализованы в данных устройствах.
27. ТВЁРДЫЕ ТЕЛА. Симметрия кристаллов.
Дефекты в кристаллах
Под симметрией тела понимается его способность совмещаться с самим собой при определенных преобразованиях.
К преобразованиям симметрии относятся:
1. Параллельный перенос всех точек тела на определённое расстояние (трансляция). Кристаллическая решётка обладает трансляционной симметрией (рис. 78). Это означает, что существуют 3 неком-планарных вектора 
,характери-зующихся тем, что при смещении решет-ки на вектор трансляции 
она переходит самав себя (n1, n2, n3– целые числа). Базисные векторы 
назы-вают основными периодами решетки, а построенный ими параллелепипед – элементарной ячейкой.
2. Поворот тела вокруг некоторой оси на определенный угол. Если тело совмещается с самим собой при повороте вокруг некоторой оси на угол 2p/n, то эта ось называется осью симметрии n-го порядка. Возможны только оси симметрии 1-го, 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядков (рис. 79). Не бывает осей 5-го порядка и более высокого, чем 6-й (так как нельзя заполнить полностью всю плоскость (без пустых промежутков) пятиугольниками, семиугольниками и т.п.).
3. Зеркальное отражение в плоскости. Плоскость называется плоскостью симметрии.
4. Инверсия, или отражение в точке. Точка называется центром симметрии.
5. Комбинация этих преобразований. Например, если тело совмещается с самим собой при повороте на угол 2p/n и отражении в плоскости, перпендикулярной этой оси, то ось называется зеркально-поворотной осью n-го порядка (рис. 80).
Кристаллические решетки подразделяются по признакам симметрии: на 230 пространственных групп, 32 кристаллических класса, 7 кристаллических систем (триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, ромбоэдрическая, гексагональная, кубическая).
В зависимости от характера сил взаимодействия между частицами кристаллической решетки различают 4 типа кристаллов:
1. Ионные кристаллы. В узлах решетки – ионы различных знаков, кулоновское (электростатическое) притяжение между которыми создает «ионную» связь (NaCl, CaCl, KBr, MgO, CaO).
2. Атомные кристаллы. В узлах – нейтральные атомы. Химическая связь – ковалентная (алмаз, германий, кремний, ZnS).
3. Металлические кристаллы. В узлах решетки – положительные ионы металла. Свободные электроны образуют «электронный газ», принадлежащий всему кристаллу (Cu, Ag, Pt, Au).
4. Молекулярные кристаллы (парафин, Br2, I2, в твердом состоянии N2, O2, СО2, Н2О) состоят из нейтральных молекул, силы взаимодействия между которыми обусловлены незначительным взаимным смещением электронов в электронных оболочках атомов (молекулярными электрическими диполями). Эти силы называются ван-дер-ваальсовыми, так как они имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящими к отклонению газов от идеальности.
Дефектами кристалла называются всякие отклонения от строгой периодичности идеальной кристаллической решетки. Дефекты бывают макроскопическими (трещины, макроскопические пустоты и включения) и микроскопическими. Микроскопические дефекты бывают точечными и линейными.
Точечные дефекты (рис. 81) нарушают лишь ближнийпорядок в расположении атомов: а) «вакансия» – в узле решетки отсутствует атом; б) «замещение» – в узле решетки чужой атом; в) «внедрение» атома между узлов.
Линейные дефекты (или дислокации) нарушают дальнийпорядок. Краевая дислокация – это лишняя кристаллическая полуплоскость, вдвинутая между соседними слоями атомов (рис. 82 а). Винтовая дислокация образуется в результате скольжения двух атомных полуплоскостей на один период друг относительно друга, начиная с некоторой линии (рис. 82 б). Кристалл с винтовой дислокацией фактически состоит из одной кристаллической плоскости, которая изогнута по винтовой поверхности (наподобие винтовой лестницы).
