Анизотропия - это зависимость свойств материала от направления. Материал считается изотропным , когда его свойства во всех направлениях одинаковые. Если же с изменением направления свойства материала изменяются, материал считается анизотропным.
Анизотропия характерна для кристаллов и обусловлена их упорядоченной структурой. В кристаллах в различных направлениях атомы располагаются с различной плотностью, т.е. на различном расстоянии друг от друга, что отражается на силе взаимодействия атомов. Как следствие, свойства кристаллов в различных направлениях оказываются различными. Например, в кубическом кристалле в направлении координатных осей атомы вещества располагаются на расстоянии друг от друга равном а (рис.1).
В направлении диагонали атомы располагаются на расстоянии а , а в направлении пространственной диагонали - а . Очевидно, такой кристалл легче разорвать в направлении пространственной диагонали, чем в направлении координатных осей, где он обнаруживает наибольшую прочность из-за того, что атомы расположены ближе и сильнее взаимодействуют.
Анизотропия распространяется практически на все свойства кристаллов. Так, кристалл в одном направлении лучше, чем в другом может проводить тепло, электрический ток, свет, лучше намагничиваться и т.д. При этом, чем ниже система симметрии кристалла, тем сильнее проявляется анизотропия его свойств.
В аморфных материалах, из-за хаотического внутреннего строения, атомы в различных направлениях располагаются примерно с одинаковой плотностью. В результате свойства данных материалов в различных направлениях оказываются одинаковыми, т.е. вещество оказывается изотропным.
Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, также очень часто обнаруживают равенство свойств в различных направлениях, хотя и являются материалами кристаллическими, а не аморфными. Это объясняется их зернистым строением. Зёрна данных материалов, будучи кристаллами, в различных направлениях обнаруживают различные свойства, однако в целом материал оказывается изотропным, поскольку зёрна случайным образом ориентированы в пространстве и при сложении свойств в каждом направлении получается примерно одна, усреднённая величина. Такую изотропию называют ложной изотропией или квазиизотропией .
Иногда зёрна поликристаллических материалов оказываются ориентированными преимущественно в одном направлении. Например, зёрна металлов и сплавов при пластическом деформировании вытягиваются в направлении деформации. Такое явление называют текстурой . При появлении текстуры свойства кристаллических материалов вновь начинают зависеть от направления, т.е. материал оказывается анизотропным.
Данная статья рассказывает, что анизотропия - это неравенство значений некоей физической величины вдоль различных направлений твердого тела. Раскрывает, что вызывает анизотропию, где она встречается, как применяется. Также вкратце дано описание коэффициента анизотропии.
Определение анизотропии
Для начала дадим определение этого понятия. Анизотропия - это различие свойств и параметров объекта в разных направлениях. Получается слегка непонятно и явно требует пояснения. Под свойствами понимаются любые характеристики веществ - упругость, скорость звука, теплопроводность, электропроводность. Таким образом, например, для скорости звука анизотропия - это такое явление, когда поперек каменной глыбы звуковые волны распространяются с другой скоростью, чем вдоль. В данном случае это свойство помогает определить породы, залегающие в глубине земной коры. Естественное распространение при землетрясении, например, или при специально созданном сильном ударе даст представление о плотности и угле залегания разных полезных ископаемых.
Чем обусловлена анизотропия?
При упоминании этого термина чаще всего имеется в виду анизотропия кристаллов. Этим разделом занимается физика твердого тела. И любой ученый из данной области прежде всего знает: зависят не только от того, из каких атомов оно состоит, но и в каком порядке и какими частями между собой эти атомы соединены. И самое главное: они зависят от группы симметрии получающейся структуры. Всего их тридцать две. Группа симметрии показывает, сколько и каких движений надо совершить, чтобы те же элементы наложились друг на друга и совпали полностью. К этим действиям относятся: поворот вокруг оси (на определенный угол), отражение от плоскости или точки, инверсия. Группа симметрии и показывает, какой будет анизотропия кристаллов. Вещества с кубической структурой, например, этим свойством не обладают. Параметры таких твердых тел одинаковы во всех направлениях.
Какой угол нужен для анизотропии?
Выше мы привели пример, когда распространение звука неодинаково во взаимно поперечных направлениях. Это частный случай того, как проявляется анизотропия свойств, который называется термином "оротропия". Однако симметрия кристаллов бывает не только кубической или ромбической. Она бывает тригональной, когда повтор элементов структуры происходит при повороте на треть круга, или даже гексагональной, тогда угол поворота равняется одной шестой круга. Симметрия низшей категории, моноклинная, дает возможность свойствам быть неодинаковыми в кристалле в трех взаимно не перпендикулярных направлениях. Таким образом, анизотропия - это качество которое может проявляться под любыми углами как в одной плоскости, так и в объеме.
Все ли свойства должны обладать анизотропией?
Этот вопрос закономерен. Если одно свойство в данном кристалле обладает анизотропией, должны ли другие параметры следовать этому примеру? Необязательно. Возьмем, например, кристаллы, которые используются в приборах ночного видения. Они способны превращать невидимый инфракрасный свет в видимый диапазон (чаще всего получается картинка разных оттенков зеленого). В таких материалах анизотропия - это основное свойство, которое подходит для применения и может быть полезно. Причем, чтобы эффект был наилучшим, кристаллы должны быть повернуты под определенным углом (для этого их специально выращивают строго определенным образом). В других направлениях преобразование излучения меньше или совсем отсутствует. При этом теплопроводность, или электродиффузия в них распространяется равномерно во всех направлениях. Бывает и так, что для одного свойства угол различия его характеристик один, а для другого - другой. Но это уже совсем экзотические случаи.
Где еще бывает анизотропия?
Когда человек слышит «кристаллы», обычно представляет себе полупрозрачные столбики кварца или аметиста. Некоторые девушки наверняка думают об украшениях. Однако кристаллическим может быть любое твердое тело. Изделия из железа, алюминия, меди, олова тоже состоят из кристаллов, только очень маленьких. И в каждой такой вещи на микроуровне также наблюдается анизотропия металлов. Однако свойства, которые распространяются в перпендикулярных направлениях по-разному, весьма специфические и в повседневной жизни незаметны. Например, в кубических кристаллах железа и алюминия Юнга меняются в зависимости от выбранной оси. А линейное расширение олова в разных направлениях различается почти в два раза. Однако такие подробности, как правило, не требуется учитывать каждый день. Ведь анизотропия металлов и её последствия, как правило, закладываются во все возможные их применения на стадии проектирования вещей, зданий, самолетов, машин.
Как вычислить анизотропию?
Все написанное выше, мы надеемся, достаточно ясно рассказало читателю, что такое анизотропия. Однако возникает и другой вопрос: как посчитать, насколько различаются свойства вдоль несовпадающих направлений в твердых телах? Для этого есть коэффициент анизотропии. Сразу оговоримся, для каждой величины он вычисляется по-своему. Показатели, испытывающие анизотропию, могут быть непохожи друг на друга. Свойства механической или квантовой системы различаются кардинально, что приемлемо для одной, для другой будет невыполнимо или вовсе невозможно. Поэтому говорить о некоем общем для любой величины коэффициенте не стоит. К тому же чаще всего вычислить его чисто теоретически не представляется возможным, эту величину получают только опытным путем. Коэффициент анизотропии включает соотношение значений исследуемой величины в разных направлениях. Иногда этот показатель включает угол между выбранными направлениями. Правда, чаще всего лишь как показатель у основания значения величины. Например, К ху показывает, что данный коэффициент относится к разнице значений физической величины вдоль осей икс и игрек.
АНИЗОТРОПИЯ (от греч. anisos-неравный и tropos-образ, оборот), особенность тел, заключающаяся в том, что свойства их в различных направлениях неодинаковы. Грубой А. обладает, напр., дерево: простым глазом видно, что оно состоит из волокон, вытянутых в одном направлении; поэтому, оно легко раскалывается в этом направлении, а в направлении перпендикулярном может быть только перепилено или перерублено. А. обладает большинство кристаллов, в к-рых она вызывается особым, упорядоченным расположением атомов. А. может проявиться в любых физ. свойствах тела; так, по разным направлениям может оказаться различная упругость, различная сжимаемость, различная теплопроводность и электропроводность. Особенно резко сказывается А. в оптических свойствах тела. Такая оптическая А. свойственна всем кристаллическим системам за исключением т. н. правильной. Луч света, попадая в анизотропный кристалл, распадается на два совершенно разных луча: «обыкновенный» (поляризованный в плоскости главного сечения) и «необыкновенный» (поляризованный перпендикулярно к ней). Оказывается, что скорость распространения света в «необыкновенном» луче сильно зависит от направления. Если в пространстве изобразить скорости света в виде стрелок, направленных из одной точки в различные стороны, и если величину каждой стрелки взять пропорциональной скорости света в данном направлении, то концы всех стрелок будут лежать на некотором эллипсоиде (Гюйгенса). В животных тканях оптическая А. встречается нередко. Примером могут служить: поперечнополосатые мышечные волокна, в к-рых правильно чередуются темные анизотропные участки со светлыми изотропными; костная ткань, дающая ясную картину крестов при исследовании в поляризованном свете, и пр. При растяжении А. может быть обнаруживаема и в таких образованиях, где она в покоющемся состоянии не выступает ясно, например, в клейдающих волокнах соединительной ткани. Подробности А. в животных тканях-см. по отно-ношению к каждой отдельной ткани. Анизотропное вещество мыш-ц ы. Скелетные мышцы состоят из волокон, к-рые под микроскопом обнаруживают чередование светлых и темных поперечных полос. Последние анизотропны, т. е. их вещество имеет различные свойства в разных направлениях. В зависимости от этого, темные полосы обнаруживают при исследовании в поляризованном свете двойное лучепреломление. Мышцы по отношению к поляризованному свету таковы, какими они долиты были быть, если бы они были построены из одноосных положительных кристаллов с длинной осью параллельно оси мышечного волокна. Гладкие мышцы также обнаруживают двойное преломление. Сократимость мышцы связана с анизотропным веществом; доказано, что сократимость и двоякое преломление в мышце появляются при развитии мышечного волокна одновременно. АНИ30ХР0МИЯ (от греч. anisos - неравный и chroma-краска), различная интенсивность окраски эритроцитов, зависящая от неодинакового содержания в них НЬ; А. можно наблюдать на неокрашенных и окрашенных мазках крови, в которых, на ряду с интенсивно окрашенными эритроцитами (гиперхромия), можно встретить красные шарики с нормальным содержанием пигмента или с очень бледно окрашенной периферической зоной (гипохромия). Неравномерное распределение НЬ может встречаться в одном и том же эритроците, - при этом периферия бледно окрашена, а центр представляет интенсивно окрашенный диск, соединенный с периферией тонким мостиком окрашенной плазмы. А. встречается при недостаточности кроветворения или при чрезмерности его после предварит, потери крови.Плотность расположения атомов по различным плоскостям неодинакова. Вследствие этого в различных плоскостях и направлениях решётки многие свойства(химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления решётки.
Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях наз. анизотропией .
Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаллов, аморфные тела(стекло) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность упаковки атомов и поэтому одинаковые свойства в различных направлениях. Аморфные тела изотропны .
Технические металлы состоят из большого количества по разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов и являютсяполикрис-таллами . Кристаллы неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому и поэтому свойства во всех направлениях получаются усред-нёнными (одинаковыми). Эта кажущаяся независимость свойств от направления наз. квазиизотропией (мнимая изотропность).
Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если все кристаллиты имеют одинаковую ориентировку в каком-то направлении. Эта ориентированность или текстура создаётся в результате значительной холодной деформации, например прокатки. Тогда поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств (вдоль и поперёк прокатки).
§ 8. Особенности кристаллического строения реальных кристаллов.
Виды несовершенств.
Реальный кристалл, в отличие от идеального, всегда имеет структурные несовершенства или дефекты. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на три типа:
точечные (нуль-мерные), - размеры которых малы во всех трёх измерениях;
линейные – размеры которых малы в двух направлениях (одномерные);
поверхностные – размеры которых малы только в одном измерении (двухмерные).
К точечным дефектам относятсявакансии или “дырки” (дефекты Шотки), т.е. узлы решётки, в которых атомы отсутствуют. Это происходит потому, что атомы колеблются возле точек равновесия (узлов решётки) и чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. В кристалле всегда имеются атомы, которые обладают энергией, значительно превышающей среднюю. Такие атомы имеют не только амплитуду колебаний больше, чем средняя, но и они могут ещё перемещаться с одного места в другое (например из узла в междоузлие, из грани кристалла наружу).
Вышедший из узла решётки атом наз. дислоцированным . Место, где находился такой атом, остаётся в решётке незаполненным, оно наз.вакансией .
При данной температуре в кристалле образуются не только одиночные вакансии, но и двойные, тройные и т.д.
Вакансии образуются и в процессе пластической деформации, а также при бомбардировке металла атомами или частицами высоких энергий(в атомном реакторе).
Межузельные атомы (дефекты Френкеля) образуются в результате перехода атома из узла решётки в междоузлие. В плотноупакованных решётках, характерных для большинства металлов, энергия образования межузельных атомов в несколько раз больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому вакансии в таких кристаллах являются основными точечными дефектами.
Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решётки. Они оказывают влияние на некоторые физические свойства металла (электропроводимость, магнитные свойства) и предопределяют процессы диффузии в металлах и сплавах.
Линейные дефекты. Клинейным несовершенствам относятсядислока-ции , которые бываюткраевые и винтовые.
Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решётки, вызванное наличием в ней “лишней” атомной полуплоскости или экстраплоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа.
Н
Вектор сдвига
Рис. Сдвиг, создавший краевую дислокацию
- положительная
дислокация
Отрицательная дислокация
Рис. Схемы расположения атомов у дислокации.
Кристаллическая решётка вокруг дислокации упруго искажена на несколько атомных расстояний. Длина линии дислокации может составлять несколько тысяч параметров решётки.
Винтовые дислокации . В отличие от краевых расположены параллельно направлению сдвига. При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности.
Образование дислокаций может происходить в процессе кристаллизации, при пластической деформации, термической обработке и др. процессах. С помощью дислокаций можно объяснить многие явления, связанные с прочностью металлов, особенностями фазовых превращений, протекающих в сплавах, и др. явления.
Поверхностные дефекты . Эти несовершенства связанны с границами зерен. На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объёме зёрна. Каждое зерно металла состоит из отдельныхблоков илисубзёрен , образующих так называемуюмозаичную структуру илисубструктуру . Зёрна металла разориентированы относительно друг друга на величину, достигающую от нескольких долей градуса до нескольких градусов или их десятков.
Блоки, или субзёрна, также повёрнуты по отношению друг другу на угол от несколько секунд до нескольких минут. В пределах каждого блока решётка почти идеальная, если не считать точечных дефектов. По границам зёрен скапливаются дислокации, а также примеси и включения. По границам зёрна расположены менее правильно, т. к. решётка одного кристалла, имеющего определённую кристаллографическую ориентацию, переходит в решётку другого кристалла, имеющего другую кристаллографическую ориентацию.
С увеличением угла разориентировки блоков или субзёрен и уменьшения их величины плотность дислокаций в металле увеличивается. Вследствие того, что в реальном поликристаллическом металле протяжённость границ блоков и зёрен очень велика, количество дислокаций в таком металле огромно (10 4 – 10 12 см -2).
, показателя преломления , скорости звука или света и др.) по различным направлениям внутри этой среды; в противоположность изотропии .
В отношении одних свойств среда может быть изотропна , а в отношении других - анизотропна ; степень анизотропии также может различаться.
Частный случай анизотропии - ортотропия (от др.-греч. ὀρθός - прямой и τρόπος - направление) - неодинаковость свойств среды по взаимно перпендикулярным направлениям.
Примеры
Анизотропия является характерным свойством кристаллических тел (точнее - лишь тех, кристаллическая решетка которых не обладает высшей - кубической симметрией). При этом свойство анизотропии в простейшем виде проявляется только у монокристаллов. У поликристаллов анизотропия тела в целом (макроскопически) может не проявляться вследствие беспорядочной ориентировки микрокристаллов, или даже не проявляется, за исключением случаев специальных условий кристаллизации, специальной обработки и т. п.
Причиной анизотропности кристаллов является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния (а также некоторые не связанные с ними прямо величины, например, поляризуемость или электропроводность) оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул. Макроскопически эта неодинаковость проявляется, как правило, лишь если кристаллическая структура не слишком симметрична.
Помимо кристаллов, естественная анизотропия - характерная особенность многих материалов биологического происхождения, например, деревянных брусков.
Во многих случаях анизотропия может быть следствием внешнего воздействия (например, механической деформации, воздействия электрического или магнитного поля и т.д.). В ряде случаев анизотропия среды может в какой-то степени (а в некоторой слабой степени - часто) сохраняться после исчезновения вызвавшего ее внешнего воздействия.
Обменная анизотропия
Обменная анизотропия - особенность петель гистерезиса перемагничивания магнитных материалов, проявляющаяся в несимметричном расположении петли относительно оси ординат .
Анизотропия времени
- Выражается в существовании необратимых процессов.
- Философская и естественнонаучная проблема, исторически связанная с началами термодинамики и понятием энтропии .
- В классической механике время является абсолютной величиной; законы Ньютона инвариантны по отношению к направлению времени.
- также см. Направленность времени .
Примечания
См. также
Ссылки
1. Физическая энциклопедия, под ред. Прохорова А.М., 1988, Москва,"Советская энциклопедия", том 1, стр 83
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Анизотропия" в других словарях:
Анизотропия … Орфографический словарь-справочник
Анизотропия - – жбк. неодинаковость свойств (механических) по разным направлениям. [СНиП 2.03.01 84] Анизотропия – неодинаковость физических свойств материала или вещества по различным направлениям. [Терминологический словарь по строительству на 12 … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Современная энциклопедия
Анизотропия - (от греческого anisos неравный и tropos направление), характеристика физического тела, заключающаяся в том, что различные его свойства (например, механические, электрические, магнитные) в разных направлениях проявляются количественно неодинаково … Иллюстрированный энциклопедический словарь
- (от греч. anisos неравный и tropos направление) зависимость свойств среды от направления. Анизотропия характерна, напр., для механических, оптических, магнитных, электрических и др. свойств кристаллов … Большой Энциклопедический словарь
Разл. значение физ. свойств г. п. и м лов по разным направлениям; характерна для слоистых г. п., а также для п. с неравномерной структурой, при условии, что чередующиеся слои или зерна м лов имеют разл. физ. свойства. А. м лов обусловливается… … Геологическая энциклопедия
- (от греч. anisos неравный и tropos направление), зависимость физ. св в (механич., оптич., магн., электрич. и т. д.) в ва от направления. Естеств. А. характерная особенность кристаллов; напр.. пластинка слюды легко расщепляется на тонкие листочки… … Физическая энциклопедия
анизотропия - Неодинаковость физических свойств материала или вещества по различным направлениям [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)] анизотропия Неравномерность плотности материала мембраны в её поверхностном… … Справочник технического переводчика
- (от греч. anisos неравный и tropos направление) в ботанике, способность разных органов одного и того же растения принимать разл. положения при одинаковом воздействии факторов внеш. среды. Напр, при одностороннем освещении растений, верхушки… … Биологический энциклопедический словарь
Сущ., кол во синонимов: 3 анизотропность (1) макроанизотропия (1) неод … Словарь синонимов
Анизотропия - Анизотропия: неодинаковость свойств среды по различным направлениям внутри этой среды...
