Элементарная радиотехника: Кристаллы. Часть 1.
Антенна мечты, или как далеко можно зайти в поиске истины.
Часть 1. Постановка вопроса.
В первых строках хочется пояснить уважаемым читателям, которые зададутся вопросом: зачем я взялся писать эту серию статей.
Поясню: писать без цели мне неинтересно, но цель не так просто найти, после, наверно, года поисков я понял, что надо брать для изучения максимально узкие темы и постепенно их разбирать и раскрывать. Удивительно, но если приложить к решению много сил и времени, то простые темы раскрываются, затрагивая разнообразнейшие области науки и техники.
Недавняя тема, которая меня заинтересовала, это антенны и всё, что с ними связано. Конечно, логично было начать с книг Карла Ротхаммеля "Антенны".
Но! До этого я рассматривал вопрос, который идеально походит для начала. Сразу предупреждаю: зайду очень издалека.
1.1. Кристаллы.
Так уж получилось, что помимо инженерии и литературы я увлекаюсь наукой и порой задаю себе странные вопросы. Помню, с чего всё началось.
Это простой вопрос: как течёт электрический ток по проводам? Вопрос простой, но я начал рыть глубже и как ни странно в процессе поиска задал себе вопрос: а что такое металл? Вот тут я познакомился, конечно, поверхностно с кристаллографией и выяснил, что почти добрая часть твердых веществ - это кристаллы!
Раньше я думал, что кристаллы - это что-то наподобие фото выше.
Но кристаллами оказались почти все твёрдые тела и, главное, металлы и сплавы. А также все "камни" - это горные породы, а также песок, глина и прочее, по-научному осадочные породы, это кристаллы в основном кремния с примесями. Вкратце, кристаллы - это такие твёрдые тела, в которых атомы или ионы или молекулы расположены закономерно в виде узлов и пространственных решёток.
Остальная часть твёрдых тел - это аморфное вещество, тоже интересные, но по свойствам они напоминают переохлаждённую жидкость с очень высокой вязкостью.
1.2. Металлы и их структура.
Для начала я пытался понять, как вообще протекает электрический ток в металле, даже правильнее сказать за счёт чего?
Достаточно легко понять, что средой для передачи тока в металле служат электроны, в каждой книжке по физике об этом пишут. Но как они образуются в металле? Ответ на этот вопрос даёт раздел общей физики, физика твёрдого тела. Про сам электрон я подробнее расскажу в следующих статьях.
Из физики твёрдого тела я узнал, что существует классификация кристаллических решёток:
ионная - когда в узлах расположены ионы (NaCl),
атомная - в узлах расположены атомы (H2, N2, O2).
металлическая - это сочетание атомной и ионной, упрощённо, конечно. Характерное свойство металлической связи - это плотная упаковка атомов, они максимально окружены соседними атомами, так что волновые функции валентных электронов существенно перекрываются, что позволяет валентным электронам более свободно двигаться в кристалле.
Конечно, реальная картина в кристалле металла намного сложнее, надо учитывать взаимодействие ионов и связанных электронов и плюс ещё с целым "морем" более свободных валентных электронов металлов.
Добавлю, что можно точно сказать, что все эти взаимодействия по заряду скомпенсированы - равны нулю в нормальных условиях. А море более свободных валентных электронов связывают всю кристаллическую решётку. Также они влияют на теплопроводность и электропроводность металлов.
Дальше нас будет интересовать только (вот тут как раз слабое место физики, когда надо ввести образы, используется язык не строгий, а разговорный, который допускает широкое трактование, что часто вводит в заблуждение неокрепшие умы, и мой тоже) электронное облако, или электронный газ, или более свободные валентные электроны.
Кстати, если вам интересно, почитайте литературу [1, 2].
Посмотрите видео, где я снимаю, как застывает припой ПОС-40 под микроскопом.
Кристаллическая структура отвечает за многие интересные особенности металлов: температура плавления, ковкость, закалка, плотность, цвет поверхности, но эти знания накоплены опытным путём. И как говорят философы-материалисты, освоившие метод диалектики, и цитируя Гегеля, что «известное от того, что оно известно, еще не познано». Или проще: никто обычно не изучает то, что и так всем известно. Но это же не про нас?!
Следующая глава 2 будет про электрон, он достаточно загадочный и противоречивый, хотя про него знают все и всё вроде бы.
Список литературы:
1. Бушманов Борис Николаевич, Хромов Юрий Александрович "Физика твёрдого тела".
2. Георгий Михайлович Попов, Иларион Иларионович Шафрановский "Кристаллография".
3. Александр Исаакович Китайгородский "Реникса".