Анізотропія
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Анізотропія

Анізотропія (від греч.(грецький) ánisos — нерівний і tróроs — напрям), залежність фізичних властивостей речовини (механічних, теплових, електричних, магнітних, оптичних) від напряму (в протилежність ізотропії незалежності властивостей від напряму). Приклади А.: пластинка слюди легко розщеплюється на тонкі листочки лише уздовж певної плоскості (паралельно цій плоскості сили зчеплення між частками слюди найменші); м'ясо легше ріжеться уздовж волокон, бавовняна тканина легко розривається уздовж нитки (у цих напрямах міцність тканини найменша).

загрузка...

  Природна А. — найбільш характерна особливість кристалів. Саме тому, що швидкості росту кристалів у різних напрямах різні, кристали зростають у вигляді правильних многогранників: шестикутні призми кварцу, кубики кам'яної солі, восьмикутні кристали алмазу, всілякі, але завжди шестикутні зірочки сніжинок. Анізотропни, проте, не всі властивості кристалів. Щільність і питома теплоємність у всіх кристалів не залежать від напряму. А. останніх фізичних властивостей кристалів тісно пов'язана з їх симетрією і виявляється тим сильніше, чим нижче симетрія кристалів .

  При нагріванні кулі з ізотропної речовини він розширюється на всі боки рівномірно, тобто залишається кулею. Кристалічна куля при нагріванні змінить свою форму, наприклад перетвориться на еліпсоїд ( мал. 1 , а). Може статися, що при нагріванні куля розширюватиметься в одному напрямі і стискуватиметься в іншому (поперечному до першого, мал. 1 , би). Температурні коефіцієнти лінійного розширення уздовж головної осі симетрії кристала (a // ) і перпендикулярно цій осі (a ^ ) різні по величині і знаку.

Таблиця 1. — Температурні коефіцієнти лінійного розширення деяких кристалів уздовж головної осі симетрії кристала і в перпендикулярному їй напрямі

 

α // ·10 6 , град -4

α ^ ·10 6 , град -4

Олово

30,5

15,5

Кварц

13,7

7,5

Графить

28,2

—1,5

Теллур

—1,6

27,2

  Аналогічно розрізняються питомі електричні опори кристалів уздовж головної осі симетрії r // і перпендикулярно їй r ^ .

Таблиця 2. — Питомий електричний опір деяких кристалів уздовж головної осі симетрії і перпендикулярно їй (1 ом·см = 0,01 ом·м )

Магній

r // ·10 6 , ом·см

r ^ ом·см

3,37

4,54

Цинк

5,83

5,39

Кадмій

7,65

6,26

Олово (біле)

13,13

9,05

  При поширенні світла в прозорих кристалах (окрім кристалів з кубічними гратами) світло випробовує подвійне променезаломлення і поляризується різно у різних напрямах (оптична А.). У кристалах з гексагональною, трігональной і тетрагоном гратами (наприклад, в кристалах кварцу, рубіна і кальциту ) подвійне променезаломлення максимальне в напрямі, перпендикулярному до головної осі симетрії, і відсутній уздовж цієї осі. Швидкість поширення світла в кристалі v або показник заломлення кристала n різні в різних напрямах. Наприклад, в кальциту показники заломлення видимого світла уздовж осі симетрії n // і перпендикулярно їй n ^ рівні: n // = 1,64 і n ^ = 1,58; в кварцу: n // = 1,53, n ^ = 1,54.

  Механічна А. полягає у відмінності механічних властивостей — міцності, твердості, в'язкості, пружності — у різних напрямах. Кількісно пружну А. оцінюють по максимальній відмінності модулів пружності . Так, для полікристалічних металів з кубічними гратами відношення модулів пружності уздовж ребра і уздовж діагоналі куба для заліза рівне 2,5, для свинцю 3,85, для бети-латуні 8,7. Кубічні монокристали характеризуються трьома головними значеннями модулів пружності (таблиця. 3).

Таблиця 3. — Головні значення модулів пружності деяких кубічних кристалів

Алмаз

95

39

49

Алюміній

10,8

6,2

2,8

Залізо

24,2

14,6

11,2

Для кристалів складнішої структури (нижчій симетрії) повний опис пружних властивостей вимагає знання ще більшого числа значень (компонент) модулів пружності по різних напрямах, наприклад для цинку або кадмію — 5, а для трігліцинсульфата або винної кислоти — 13 компонент, різних по величині і знаку. ПРО А. магнітних властивостей див.(дивися) детальніше в статті Магнітна анізотропія .

  Математично анізотропні властивості кристалів характеризуються векторами і тензорами, на відміну від ізотропних властивостей (наприклад, щільність), які описуються скалярними величинами. Наприклад, коефіцієнт піроелектричного ефекту (див. Піроелектрика ) є вектором. Електричний опір, діелектрична проникність, магнітна проникність і теплопровідність тензори другого рангу, коефіцієнт п'єзоелектричного ефекту (див. П'єзоелектрика ) тензор третього рангу, пружність тензор четвертого рангу. А. графічно змальовують за допомогою вказівних поверхонь (індікатрісс): з однієї крапки на всіх напрямках відкладають відрізки відповідні константі в цьому напрямі. Кінці цих відрізань утворюють вказівну поверхню ( мал. 2—5 ).

  Полікристалічні матеріали ( метали, сплави ), що складаються з безлічі кристалічних зерен ( кристалітів ), орієнтованих довільно, в цілому ізотропні або майже ізотропні. А. властивостей полікристалічного матеріалу виявляється, якщо в результаті обробки ( відпалу, плющення і т. п.) в нім створена переважна орієнтація окремих кристалітів в якому-небудь напрямі (текстура). Так, при плющенні листової сталі зерна металу орієнтуються у напрямі плющення, в результаті чого виникає А. (головним чином механічних властивостей), наприклад для прокатаних сталей межа текучості, в'язкість, подовження при розриві, вздовж і поперек напрями прокату розрізняються на 15—20% (до 65%).

  Причиною природної А. є впорядковане розташування часток в кристалах, при якому відстань між сусідніми частками, а отже, і сили зв'язку між ними різні у різних напрямах (см. Кристали ). А. може бути викликана також асиметрією і певною орієнтацією самих молекул. Цим пояснюється природна А. деяких рідин, особливо А. рідких кристалів . У останніх спостерігається подвійне променезаломлення світла, хоча більшість інших їх властивостей ізотропно, як в звичайних рідин.

  А. спостерігається також в е р б певних некристалічних речовинах, в яких існує природна або штучна текстура (деревина і т. п.). Наприклад, фанера або пресована деревина унаслідок шаруватості будови можуть володіти п'єзоелектричними властивостями, як кристали. Комбінуючи скляне волокно з пластмасами, удається отримати анізотропний листовий матеріал з міцністю на розрив до 100 кгс/мм 2 . Штучну А. можна також отримати, створюючи задане розподіл механічної напруги в спочатку ізотропному матеріалі. Наприклад, при гарті скла можна отримати в нім А., яка спричиняє за собою зміцнення скла.

  Штучна оптична А. виникає в кристалах і в ізотропних середовищах під дією електричного поля (див. Електрооптичний ефект в кристалах, Керр явище в рідинах), магнітного поля (див. Коттон—Мутона ефект ), механічної дії (див. фотопружна ).

  М. П. Шаськольськая.

  А. широко поширена також в живій природі. Оптична А. виявляється в деяких тваринних тканинах (мишечной, кістковою). Так, міофібрили поперечний покреслених м'язових волокон при мікроскопії здаються такими, що складаються зі світлих і темних ділянок. При дослідженні в поляризованому світлі ці темні диски, як і гладкі м'язи і деякі структури кісткової тканини, виявляють подвійне променезаломлення, тобто вони анізотропни.

  В ботаніці А. називається здатність різних органів одного і того ж рослини приймати різні положення при однакових діях чинників зовнішнього середовища. Наприклад, при однобічному освітленні верхівки втеч згинаються до світла, а листові пластинки розташовуються перпендикулярно до напряму променів.

  Літ.: Бокий Р. Би., Флінт Е. Е., Кожухарів А. Ст, Основи кристалографії, М-код.—Л., 1940; Най Дж., Фізичні властивості кристалів..., пер.(переведення) з англійського, 2 видавництва, М., 1967; Волокнисті композиційні матеріали, пер.(переведення) з англійського, М., 1967; Дітчберн Р., Фізична оптика, пер.(переведення) з англійського, М., 1965.

Мал. 1. Зміна форми кристалічної кулі (пунктир) при нагріванні.

Мал. 4. Перетини поверхні модуля кручень (а) і модуля Юнга (б) кристала кварцу; перетин поверхні п'єзоелектричного коефіцієнта в кварці (в).

Мал. 3. Перетини поверхонь коефіцієнтів пружності кристала сегнетової солі.

Мал. 5. Поверхня коефіцієнтів розривної міцності кристала кам'яної солі.

Мал. 2. Перетин поверхні швидкостей пружних хвиль кристала бромистого калія.