弯曲:物体因负荷而弯曲所产生变形,称弯曲形变; 无论产生什么形变,都可归结为长变与切变。
86、形状(shape)
物体形状:物体的外部轮廓(外观)。 形状的几何参数:体积、表面积尺寸。
常用的形状:光滑表面,抛物面,球面,皱褶(波状),螺旋,窄槽,微孔,穗,环。
87、形状记忆合金(shape memory)
形状记忆合金:一般金属材料受到外力作用后,首先发生弹性变形,达到屈服点,就产生塑性变形,应力消除后留下永久变形。但有些材料,在发生了塑性变形后,经过合适的热过程,能够回复到变形前的形状,这种现象叫做形状记忆效应(SME).具有形状记忆效应的金属一般是2种以上金属组成的合金,称为形状记忆合金(SMA)。
形状记忆合金可以分为3种:
1)单程记忆效应。形状记忆合金在较低的温度下变形,加热后可恢复变形前的形状,这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
2)双程记忆效应。某些合金加热时恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。
3)全程记忆效应。加热时恢复高温相形状,冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状,称为全程记忆效应。
88、压磁效应(piezomagnitic)
当铁磁材料受到机械力的作用时,在它的内部产生应变,从而产生应力?,导致磁导率?发生变化的现象称为压磁效应。
磁材料被磁化时,如果受到限制而不能伸缩,内部会产生应力。同样在外部施加力也会产生应力。当铁磁材料因磁化而引起伸缩(不管何种原因)产生应力?时,其内部必然存在磁弹性能量E?,分析表明:E?与?m??之积成正比,其中?m为磁致伸缩系数。并且还与磁化方向与应力方向之间的夹角有关。由于E?的存在,将使磁化方向改变,对于正磁致伸缩材料,如果存在拉应力,将使磁化方向转向拉应力方向,加强拉应力方向的磁化,从而使拉应力方向的磁导率?增大。压应力将使磁化方向转向垂直于应力的方向,削弱压应力方向的磁化,从而使压应力方向的磁导率减小。对于负磁致伸缩材料,情况正好相反。这种被磁化的铁磁材料在应力影响下形成磁弹性性能,使磁化强度矢量重新取向,从而改变应力方向的磁导率的现象称为次弹效应或压磁效应。
89压电效应(piezodlectric effect)
由物理学知,一些离子型晶体的电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)不仅在电场力作用下,而且在机械力作用下,都会产生极化现象。即:
1)在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时,就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化,从而导致其2个相对表明(极化面)上出现符号相反的束缚电荷Q,且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度?)与外应力张量T成正比。当外力消失,又恢复不带电原状;当外力变向,电荷极性随之而变,这种现象称为正压电效应,或简称压电效应。
2)若对上述电介质施加电场作用时,同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形,且其应变S与外电场强度E成正比。这种现象称为逆压电效应或称电致伸缩。
90、压强(pressure)
垂直作用于物体的单位面积上的压力。对于压强的定义,应当着重领会4个: 1)受力面积一定时,压强随着压力的增大二成正比例地增大。 2)同一压力作用在支承物的表面上,若受力面积不同,所产生的压强大小也有所不同。受力面积小时,压强大;受力面积大时,压强小。
3)压力和压强是截然不同的2个概念:压力是支承面上所受到的并垂直于支承面的作用力,更支承面积大小无关。
4)压力、压强的单位是有区别的。压力的单位是牛顿,跟一般力的单位是相同的。压强的单位是一个复合单位,它是由力的单位和面积的单位组成的。在国际单位制中是“帕斯卡”,简称“帕”。
91、液/气体的压力(pressure force of liquid/gas)
液体的压力:液体受到重力作用,而向下流动,因受容器壁及底的阻止,故器壁及器底受到液体压力的作用。液体因为重力的作用和它的流动特性,当液体静止时,液体内以及其接触面上各点所受的压力,都遵守下列各条规律:
1)静止液体的压力必定与接触面垂直;
2)静止液体内同一水平面上各点,所受压强完全相等; 3)静止液体内某一点的压强,对任何方向都相等;
4)静止液体内上下2点的压强差,等于以2点间的垂直距离为高度,单位面积为底的液柱重量。
地球表明覆盖有一层厚厚的由空气组成的大气层。在大气层中的物体,都要受到空气分子撞击产生的压力,这个压力称为大气压力。也可以认为,大气压力是大气层的物体受大气层自身重力产生的作用于物体上的压力。
92、液体压力(hydrodynamic force)
流体力学:研究流体的运动规律以及流体与流体中物体之间的相互作用。在流体力学中一般不考虑流体的分子、原子结构而把它看做连续介质。它处理流体的压强、速度及加速度等问题,包括流体的形变、压缩及膨胀。因此流体力学也是以牛顿运动三定律为基础的,并遵循质量守恒、能量守恒和功能原理等力学规律。流体力学又分为流体静力学和流体动力学。
流体静力学:流体处于不流动的静止状态,称为流体处于平衡状态。研究流体静止条件及关于物体在流动中受力情况的力学称为“流体静力学”。其研究的主要内容有:密度、压强、液体内部压强、大气压强、帕斯卡定律、浮力及阿基米德定律等。
流体动力学:研究运动流体的宏观状态和规律的学科。主要研究对象包括流体的速度、压强、密度等的变化规律,粘滞流体的运动规律及粘滞流体中运动物体所受的阻力以及其他热力学性质。
93、液体和气体压强(liqrid or gas pressure)
由于液体有重量,因此在液体的内部就存在由液体本身的重量而引起的压强,这个压强等于液体单位体积的质量和液体所在处的深度的乘积,即P??gh(式中g=9.8牛顿/千克)。由公式知,液体内部的压强与深度有关,深度增加,压强亦随着增加。
因为液体具有流动性,所以液体内部的压强又表现出另外一些特点:液体对容器的底部和侧壁都有压强,而且压强一定与底部或侧壁垂直;液体内部的压强是向各个方向的,而且在同一深度的地方向各个方向的压强都相等。在解决问题时应注意下列几点:
1)液体内部某处的深度(h),应当取该处至液面垂直的距离,它与容器的形状无关。 2)深度与高度是有区别的,深度是从液面向下至某一点的垂直距离,而高度是从容器
或液体的底部起向上到液面的竖直高度。
3)液体内部某处至液面之间有几层密度不同的液体,则该处的压强等于几层液体各自产生的压强之和。在考虑大气压的情况下,还应当加上液面上受到的大气压强。
4)连通器中的液体在平衡时左管中液体的压强一定与右管中液体的压强相等。单位面积上所受的力称为“大气压强”。大气压强的测量通常以水银气压计的水银柱的高来表示。地面上标准大气压约76厘米高水银柱产生的压强。由于测量地区等条件影响,所测数值不同。根据液体压强的公式P??gh,水银的密度是13.6×103千克/米3,因此76厘米高水银柱产生的压强是:
P?13.6×103千克/米×9.8牛顿/千克×0.76米=1.013105牛顿/米2=1.013×105帕斯卡
94、一级相变(phase tuansition-typeⅠ)
相变:(物态变化)不同相之间的相互转换,称为“相变”或称“物态变化”。自然界中存在的各种各样的物质,而用“相”来表示物质的固、液、气3种形态的“相貌”。从广义上来说,所谓相,指的是物质系统中具有相同物理性质的均匀物质部分,它和其他部分之间用一定的分界面隔离开来。例如,在由水和冰组成的系统中,冰是一个相,水是另一个相。α铁、β铁、γ铁和δ铁是铁晶体的4个相。不同相之间相互转变一般包括2类,即一级相变和二级相变。相变总是在一定的压强和一定的温度下发生的。相变是很普遍的物理过程,它广泛涉及到生产及科技工作。在物质形态的互相转换过程中必然要有热量的吸入或放出。物质3种状态的主要区别在于它们分子间的距离,分子间相互作用力的大小,和热运动的方式不同。因此在适当的条件下,物体能从一种状态转变为另一种状态,其转换过程的从量变到质变。例如,物质此固态质变到液态的过程中,固态物质不断吸收热量,温度逐渐升高,这是量变的过程;当温度升高到一定程度,即达到熔点时,再继续供给热量,固态就开始向液态转变,这时就发生了质的变化。虽然继续供热,但温度并不升高,而是固液态并存,直至完全溶解。
在发生相变时,有体积的变化,同时有热量的吸收和释放,这类相变称为“一级相变”。例如,在1个大气压0℃的情况下,1千克质量的冰转变成同温度的水,要吸收333.4焦耳的热量,与此同时,体积亦伸缩。所以,冰与水之间的转换属一级相变。
95、永久磁铁(permanent magnets)
磁铁:磁铁不是人发明的,有天然的磁铁矿,至于成分那就是铁、钴、镍等。其原子结构特殊,原子本身具有磁矩。一般的这些矿物分子排列混乱,磁区互相影响就显不出磁性,但是在外力(如磁场)引导下分子排列方向趋向一致,就显出磁性,也就是俗称的磁铁。铁、钴、镍是最常用的磁性物质,基本上磁铁分永久磁铁与软铁。永久磁铁是加上强磁使磁性物质的自旋与电子角动量成固定方向排列;软磁则是加上电流(也是一种加上磁力的方法),等电流去除,软铁会慢慢失去磁性。磁铁只是一个通称,是泛指具有磁性的东西,实际的成分不一定包含铁。较纯的金属态的铁本身没有永久磁性,只有靠永久磁铁才会感应产生磁性。一般的永久磁铁里面加了其他杂质元素(例如碳)来使磁性稳定下来,但是这样会使电子的自由性降低而不易导电,所以电流通过的时候灯泡亮不起来。铁是常见的带磁性元素,但是许多其他元素具有更强的磁性,像强力磁铁很多就是铷铁硼混合而成的。
抗磁力(矫顽力):矫顽力是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度。
96、约翰逊-拉别克效应(Johnson-Ranbec effect)
1920年,约翰逊和拉别克发现,抛光镜面的弱导电物质(玛瑙、石板等)的平板,会被一对连接着220伏电源的、邻接的金属板稳固地拿住。而在断电情况下,金属板可以很轻易地移开。
对此现象的解释如下:金属和弱导电物质,两者是通过少数的几个点相互接触的,这就
导致了过渡区中的大电阻系数、金属板间接触的弱导电物质与金属板自己本身的小电阻系数(由于大的横截面)所以在金属和物质间的如此狭小的一个转换空间内,存在着电场,将会发生巨大的压降,由于金属和物质之间(大约1mm)的微小距离,此空间就产生了很高的电位差。
97、折射(refraction)
波的折射:波在传播过程中,由一种媒质进入另一种媒质时,传播方向偏折的现象,称波的折射。在同类媒质中,由于媒质本身不均匀,亦会使波的传播方向改变,此种现象也叫波的折射。
绝对折射率:任何介质相对于真空的折射率,称为该介质的绝对折射率,简称折射率(index of refraction)。对于一般光学玻璃,可以近似地认为以空气的折射率来代替绝对折射率。
98、振动(vibration)
振动:是一种很常见的运动形式。在力学中,指一个物体在某一位置附近做周期性的往复运动,常叫机械振动,也称振荡。一个物理量在某一恒定值附近往复变化的过程也称振动,如交流电电压、电流随时间的变化。
机械振动:物体在某一位置附近来回往复地运动,称为“机械振动”。例如,弹簧振子、摆轮、音叉、琴弦以及蒸汽机活塞的往复运动等等。凡是摇摆、晃动、打击、发声的地方都存在机械振动。振动是自然界最常见的一种运动形式,波动是振动的传播过程。振动远不止于机械运动范围,热运动、电磁运动中相应物理量的往复变化也是一种振动。产生振动的必要条件之一是物体离开平衡位置就会受到回复力的作用;另一条件是阻力要足够小。当然物体只有惯性,而物体的惯性使物体经过平衡位置时不会立即停止下来,每经过一定时间后,振动体总是回复到原来的状态(或位置)的振动称为周期性振动。不具有上述周期性规律的振动称为非周期性振动。
99、驻波(standing waves)
在同一媒质里,2个频率相同、振幅相等、振动方向相同、沿相反方向传播的波叠加而成的波叫“驻波”。驻波是波的一种干涉现象,在声学和光学中都有重要的应用。
100、驻极体(electrets)
将电介质方在电场中就会被极化。许多电介质的极化是与外电场同时存在同时消失的。也有一些电介质,受强外电场作用后其极化现象不随外电场去除而完全消失,出现极化电荷“永久”存在于电介质表面和体内的现象。这种在强外电场等因素作用下,极化并未“永久”保持极化状态的电介质,称为“驻极体”。
驻极体具有体电荷特性,即它的电荷不同于摩擦起电,既出现在驻极体表面,也存在于其内部。若把驻极体表面去除一层,新表面仍有电荷存在;若把它切成两半,就成为2块驻极体。这一点可与永久磁体相类比,因此驻极体又称永电体。
驻极体的发现不是太晚,但至今对它的研究仍不够深入,它的生成理论也不完善,应用也只是开始。虽然如此,驻极体已逐渐显示出它作为一种电子材料的潜力。
驻极体可以提供一个稳定的电压,因此是一个很好的直流电压源。这在制造电子器件和电工测量仪表等方面是大有用处的。高分子聚合物驻极体的发现和使用,是电声换能材料一次巨大变革,利用它可以制成质量很高、具有很多优点的电声器件。另外还可制成电机、高压发生器、引爆装置、空气过滤器,以及电话拨号盘、逻辑电路中的寻址选择开关、声全息照相用换能器等。随着对驻极体研究的深入和新材料的连续发现,它会像永磁体一样,被广泛应用。
能制成驻极体的有天然蜡、树脂、松香、磁化物、某些陶瓷、有机玻璃及许多高分子聚合物(例如K-1聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚酯等)。根
据驻极体极化时所采用的物理方法,有热驻极体、光驻极体、电驻极体和磁驻极体等之分。
101、纳米效应
纳米是一接头词,1nm表示10亿分之1。纳米大小的东西用肉眼是看不到的。因此也难于想象。1m和1nm的比值正好相当于地球和乒乓球的之比。可以认为,纳米技术是处理异想天开小的东西的科学。实际上,可以说纳米大概就是分子DNA那么大。
在纳米尺度下,物质中电子波性依据原子之间的相互作用将受到尺度大小的影响。在这个尺度时,物质会出现完全不同的性质,就好像生物进化一样,产生无穷的变化。即使不改变材料的成分,纳米材料的基本性质,诸如熔点、磁性、电学性能、力学性能和化学活性等都将与传统材料大不相同,呈现出用传统模式和理论无法解释的独特性能。
一般可以将纳米技术定义为“在原子分子纳米级控制结构和机能的关于物质、材料、器件及过程系统的科学”。我们经常将纳米技术解释为“如果适当调整原子、分子的排列,能获得具有惊人价值的东西”。
1、表面效应
球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,所以,球形颗粒的比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径的减小,比表面积将会显著地增大,表面原子数也将迅速增加。
由此可见,当颗粒的直径减小到纳米尺度时,会引起它的表面原子数,比表面积和表面能的大幅度增加,由于表面原子的周围缺少相邻的原子,使得颗粒出现大量剩余的悬键而具有不饱和的性质。同时,表面原子具有高的活性,且极不稳定,它们很容易与外来的原子相结合,形成稳定的结构。所以,表面原子与内部原子相比,具有更低的化学活性和表面能。金属的纳米颗粒在空气中会燃烧,无机的纳米颗粒暴露在空气中会吸附气体并与气体进行反应都是因为这些纳米颗粒的表面活性高的原因。
2、小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变,在一定的条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化成为小尺寸效应。纳米颗粒尺寸小,比表面积大,在熔点、磁性、热阻、电学性能、光学性能、化学活性和催化性能等都发生了变化,产生一系列 奇特的性质。例如,金属纳米颗粒对光的吸收效果显著增加,并产生吸收峰的等离子共振频率偏移;磁性磁有序态向磁无序态,超导相向正常相的转变。纳米颗粒的熔点也将大幅度下降。例如,金和银大块材料的熔点分别为1063℃和960℃,但是直径为2nm的金和银的颗粒,其熔点分别降为330℃和100℃,试设想一下,开水就可以将银熔化,这是多么奇特的性能。
金属纳米颗粒熔点大幅度降低,可以为粉末冶金工业开来了全新的工艺,而对光吸收效果的显著增加,可以制造具有一定频宽的微波吸收材料,用于电磁屏蔽和隐形飞机等。
3、量子尺寸效应
金属大块材料的能带可以看成是连续的,而介于原子和大块材料之间的纳米材料的能带将分裂为分立的能级,即能级是量子化。这种能级间的间距随着颗粒尺寸的减小而增大。当能级间距大于热能、光子能量、静电能、磁能、静磁能或朝导态的凝聚能等的平均能级间距时,就会出现一系列与大块材料截然不同的反常特性,称之为量子尺寸效应。这种量子尺寸效应导致纳米颗粒的磁、光、电、声、热以及超导电性等特性与大块材料显著不同。例如,纳米颗粒介于高的光学非线性和特异的催化等性质,而且金属纳米颗粒(如纳米银)具有类似于绝缘体的很高的电阻。
半导体的能带结构与颗粒的尺寸也有密切的关系。随着颗粒的减小,半导体的发光带或者吸光带可由长波移向短波长,发光的颜色从红光移向蓝光,这就是半导体的蓝移(blue moved)现象。这种随颗粒尺寸的减小,能隙变宽发生蓝移的现象也是量子尺寸效应引起的。
4、宏观量子隧道效应
微观粒子具有穿透势垒的能力称之为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观的物理量,如微小颗粒的磁化强度,量子相于器件中的磁通以及电荷等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化。宏观量子隧道效应的研究对基础研究和应用都有重要意义。例如,它限定了采用磁带,磁盘进行信息存储的最短时间。这种效应和量子尺寸效应一起,将会是未来微电子器件的基础,它们确定了微电子器件进一步微型化的极限。
以上4种效应构成了纳米颗粒和纳米固体的基本特性。