Анізотропія (фізика)

Анізотропія — неоднаковість фізичних властивостей (механічних, теплових, електричних, магнітних, оптичних тощо) однорідного тіла в різних напрямках.

Анізотропія в монокристалах

Анізотропія пов’язана з будовою тіла, властивостями його структурних частинок ― молекул, атомів, йонів ― та специфікою їх розташування. Найхарактернішою особливістю кристалів є їхня природна анізотропія. Саме тому, що швидкості росту кристалів у різних кристалографічних напрямках розбіжні, кристали виростають у формі правильних багатогранників (шестикутні призми кварцу, кубики галіту, восьмикутні кристали алмазу та ін.). Не всі властивості кристалів є анізотропними. Зокрема, густина й питома теплоємність не залежать від напрямку. Анізотропія інших властивостей кристалів тісно пов’язана з їхньою симетрією, її вияви тим яскравіші, чим нижча симетрія кристалів. Нагрівання сфери, виготовленої з ізотропної речовини, зумовлює її рівномірне розширення в усіх напрямках та збереження сфероїдної форми. Тоді як кристалічна сфера з анізотропної речовини внаслідок нагрівання змінюватиме форму, оскільки температурні коефіцієнти лінійного розширення вздовж головної осі симетрії кристала (α∥) і перпендикулярно до неї (α⏊) можуть різнитися як за величиною, так і за знаком, у зв’язку з чим може трапитися, що за нагрівання кристалічна сфера розширюватиметься в одному напрямку й стискуватиметься в іншому, поперечному до попереднього (табл. 1).

Табл. 1. Температурні коефіцієнти лінійного розширення деяких кристалів уздовж головної осі симетрії кристалу й перпендикулярно до неї.

Кристал α∥ · 106, град-1 α⏊ · 106, град-1
Олово 30,5 15,5
Кварц 13,7 7,5
Графіт 28,2 -1,5
Телур -1,6 27,2

Тобто можуть різнитися й питомі опори електричні вздовж головної осі симетрії (ρ∥) і перпендикулярної до неї осі (ρ⏊) деяких кристалів (табл. 2)

Табл. 2. Питомий електроопір деяких кристалів уздовж головної осі симетрії й перпендикулярно до неї.

Кристал ρ∥ · 106, Ом · см ρ⏊ · 106, Ом · см
Магній 3,37 4,54
Цинк 5,83 5,39
Кадмій 7,65 6,26
Олово (біле) 13,13 9,05


Подвійне променезаломлення, а також різну поляризацію світла в різних напрямках спостерігають під час поширення світла в прозорих кристалах (за винятком кристалів з кубічними ґратками), що й характеризує так звану оптичну анізотропію. Наприклад, у кристалах кварцу, рубіну й кальциту (тобто в кристалах з гексагональними, тригональними й тетрагональними ґратками) подвійне променезаломлення найбільше в напрямку, перпендикулярному до головної осі симетрії. І зовсім відсутнє за поширення світла вздовж цієї осі. В оптично анізотропних середовищах швидкість поширення світла ν, а також показник заломлення світла n у різних напрямках розбіжні.

Різниця механічних властивостей кристала (міцності, твердості, в’язкості, пружності) у різних напрямках становить його механічну анізотропію. Пружну анізотропію будь-якого тіла оцінюють за максимальною відмінністю пружності модулів, характерних для нього. Зокрема, для таких металічних матеріалів з кубічними ґратками, як залізо, свинець і β-латунь, відношення модулів пружності вздовж ребра й діагоналі куба становлять, відповідно: 2,5, 3,85 і 8,7. Кубічні монокристали характеризують трьома головними значеннями модулів пружності. У випадку кристалів складнішої структури (нижчої симетрії) детальний опис пружних властивостей потребує знання більшої кількості значень модулів пружності для різних напрямків. Для цинку або кадмію їх, наприклад, 5, а для тригліцинсульфату або винної кислоти ― 13, відмінних між собою як за абсолютним значенням, так і за знаком.

Під магнітною анізотропією розуміють залежність магнітних властивостей від напрямку, у якому їх розглядають. Така анізотропія залежить від структури тіла, а також від особливостей взаємодії між елементарними носіями магнітного моменту. Особливо велика магнітна анізотропія характерна для монокристалічних феромагнетиків. Залежно від кута між вектором намагніченості J ⃗ та вектором напруженості поля магнітного H ⃗ це поле в монокристалі може як підсилюватися, так і послаблюватися.

На відміну від ізотропних властивостей (наприклад, густини), описуваних за допомогою скалярних величин, анізотропні властивості описують за допомогою векторів та тензорів. Наприклад, коефіцієнт піроелектричного ефекту є вектором; питомий опір електричний, проникність діелектричну та проникність магнітну, теплопровідність ― тензори другого рангу; коефіцієнт п’єзоелектричного ефекту ― тензор третього рангу; пружність ― тензор четвертого рангу. Графічно анізотропію зображують у вигляді так званих індикатрис. Індикатрису одержують, відклавши з однієї точки (яка є початком координат) у всіх напрямках відрізки, пропорційні величині, що розглядають у цьому напрямку. Кінці цих відрізків і утворюють відповідну індикатрису.

Анізотропія в полікристалічних матеріалах

Полікристалічні матеріали (метали або сплави), що утворюються з безлічі дрібних кристаликів (кристалітів), орієнтованих довільно в просторі, у цілому ізотропні або майже ізотропні. Анізотропія таких матеріалів може проявитися в результаті оброблення (відпалювання, прокатування тощо), що може приводити до переважної орієнтації кристалітів в одному певному напрямку.

Природна анізотропія може виникати не тільки внаслідок упорядкованого розташування в просторі частинок (атомів, молекул, йонів), які утворюють тіло, а й за рахунок асиметрії їхнього відносного розташування. Саме цим зумовлено природну анізотропію деяких рідин, зокрема й анізотропію рідких кристалів. В останніх спостерігають подвійне променезаломлення, хоча для більшості інших їхніх властивостей характерний високий ступінь ізотропії, властивої звичайним рідинам.

Анізотропія в некристалічних речовинах

Анізотропія властива й деяким некристалічним речовинам з природною або штучною текстурою, наприклад, деревині.

Штучна анізотропія

Штучну анізотропію можна створити навіть у природно ізотропному матеріалі (електрична провідність у кубічному кристалі на зразок германію або силіцію), піддавши його скерованому стискуванню або розтягуванню в певних кристалографічних напрямках.

Штучна оптична анізотропія може виникати в кристалічних тілах і в ізотропних середовищах під дією механічного впливу (див. Фотопружність), а також під дією електричного (див. Керра ефект) і магнітного полів (Коттона ― Мутона ефект).

Анізотропія в живій природі

Анізотропія поширена також у живій природі (наприклад, оптичну анізотропію спостерігають у деяких м’язових і кісткових тканинах).

Література

  1. Най Дж. Физические свойства кристаллов / Пер. с англ. 2-е изд. Москва : Мир, 1967. 386 с.
  2. Баранский П. И., Буда И. С., Даховский И. В. и др. Электрические и гальваномагнитные явления в анизотропных полупроводниках . Киев : Наукова думка, 1977. 270 с.
  3. Шаскольская М. П. Кристаллография. Москва : Высшая школа, 1984. 376 с.
  4. Недоля А. В. Кристалографія. Фізичні властивості кристалів. Запоріжжя : Просвіта, 2014. 138 с.
  5. Vannucci P. Anisotropic Elasticity. Singapore : Springer, 2018. 426 p.

Автор ВУЕ

П. І. Баранський


Покликання на цю статтю

Покликання на цю статтю: Баранський П. І. Анізотропія (фізика) // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Анізотропія (фізика) (дата звернення: 25.01.2022).


Оприлюднено

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено:
25.02.2020

Офіційний телеграм-канал ВУЕОфіційний телеграм-канал ВУЕ