Что можно узнать по форме кристалла?
Кристаллы растут в сторону градиента - постепенного изменения (чего-то). Градиент может быть крутым, это когда изменение довольно резкое, но всё-таки постепенное, может быть пологим - когда изменение плавное. Так вот, кристаллы растут в направлении градиента: температуры, поступления новых веществ, градиента магнитного поля, электрического поля и других градиентов, о которых мы мало что знаем.
Температурные градиенты
Вот например, как образуются кристаллы в слитке - это когда жидкий металл налили в ковш и начали остужать с разной скоростью.
а. При обычном остывании самый резкий градиент температуры - у наружных стенок, где слой металла резко теряет тепло при соприкосновении с холодными стенками. Кристаллики получаются мелкими. На некотором расстоянии от стенок остывание не такое резкое - кристаллы получаются крупнее и вытянуты в направлении градиента температуры, в направлении тепло-холодно. По центру ковша самое медленное остывание, при этом изменения/градиента нет - одинаково остывает со всех сторон. Кристаллы получаются ещё более крупными и округлыми.
б. При ускоренном отводе тепла и заливе в нагретый ковш можно получить сплошные вытянутые кристаллы.
в. При почти мгновенном отводе тепла от всего объема получаются одинаковые мелкие кристаллы.
Можно поупражняться в интуитивном понимании роста кристаллов на ледяных кристаллах на окнах.
Вот край окна во льду, а середина - чистая. Это означает, что на улице нет сильного мороза (нет большого градиента холода поперёк стекла), и только край окна достаточно холодный, чтобы на нем оседала вода из воздуха (видимо, стык стекла с рамой пропускает холодный воздух). У самого стыка стекло похолоднее, и вода превращается в мелкие кристаллы, а на некотором удалении от стыка стекло уже не такое холодное, и образуются веточки.
Здесь можно увидеть направление градиента холода, в этом направлении вытянуты кристаллы.
А вот здесь градиента нет, стекло везде равномерно холодное, поэтому получаются кристаллы, направленные в разные стороны.
Величина веточек зависит от крутизны градиента: длинные ветки растут при плавном изменении температуры и влажности вдоль стекла, короткие - при крутом градиенте.
В общем, величина потока энергии через данное вещество обусловливает форму образующихся кристаллов. Чем поток энергии больше (круче градиент), тем больше отношение площадь поверхности/объем кристалла.
При отсутствии градиентов кристаллы имеют правильную форму с минимумом выступов (минимальной площадью).
Но чем больше градиент, тем больше кристалл вытягивается, больше образует ответвлений. Ещё больше энергии - шире "листочки", разветвлённее и тоньше "веточки". Ещё больше - веточки рассыпаются на отдельные "снежинки", "цветочки". Ну и так далее.
В металлургии эти свойства кристаллов широко используются. Если быстро охладить лист железа, в нём возникнут металлические дендриты с тонкими веточками, трехмерная структура будет тонкой, механические свойства листа железа будут равномерными.
Если охлаждение провести медленнее, веточки и листья станут потолще, трехмерная структура станет неравномерной, но будет больше твердых/прочных участков, и такой металл можно использовать в качестве резака.
Рост кристаллов под влиянием других градиентов, не температурных
Магнитные кристаллы/домены растут в направлении градиента магнитного поля. Очень быстро - в течение долей секунд или минут.
В электрическом поле растут металлические кристаллы - усы (Whiskers).
Интересным является и тот факт, что доподлинно механизм образования подобных усов до сих пор неизвестен, хотя и существует множество теорий ни одна из них на 100% не подтверждена. Известно, что чаще всего подобные образования появляются на деталях подверженных разного рода напряжениям, источником которых может являться множество причин - сама технология нанесения покрытий, механическое силовое воздействие (например закручивание гаек и болтов прижимающих поверхность с оловянным покрытием), формовка ножек деталей, царапины, термоперепады и т.д.
То есть, как говорит автор, на возникновение усов влияют не только градиенты электрического поля, хотя обнаруживают их именно в электроприборах, но и механические градиенты (закручивание гаек), и, вероятно, электрохимические (царапины).
А еще была я недавно в южных краях нашей Родины, рассматривала там голубые ели и удивлялась, что у них такие толстенькие веточки и иголочки сравнительно с голубыми елями в Сибири или даже на севере Европейской части.
Разве толщина веток не указывает на более плавный градиент? Конечно, указывает. И если подумать, действительно - в южных регионах перепады температур не такие, как в Сибири.
Так что и растения вполне подчиняются законам кристаллического роста.
И даже общество: Мерности и развитие
Температурные градиенты
Вот например, как образуются кристаллы в слитке - это когда жидкий металл налили в ковш и начали остужать с разной скоростью.
а. При обычном остывании самый резкий градиент температуры - у наружных стенок, где слой металла резко теряет тепло при соприкосновении с холодными стенками. Кристаллики получаются мелкими. На некотором расстоянии от стенок остывание не такое резкое - кристаллы получаются крупнее и вытянуты в направлении градиента температуры, в направлении тепло-холодно. По центру ковша самое медленное остывание, при этом изменения/градиента нет - одинаково остывает со всех сторон. Кристаллы получаются ещё более крупными и округлыми.
б. При ускоренном отводе тепла и заливе в нагретый ковш можно получить сплошные вытянутые кристаллы.
в. При почти мгновенном отводе тепла от всего объема получаются одинаковые мелкие кристаллы.
Можно поупражняться в интуитивном понимании роста кристаллов на ледяных кристаллах на окнах.
Вот край окна во льду, а середина - чистая. Это означает, что на улице нет сильного мороза (нет большого градиента холода поперёк стекла), и только край окна достаточно холодный, чтобы на нем оседала вода из воздуха (видимо, стык стекла с рамой пропускает холодный воздух). У самого стыка стекло похолоднее, и вода превращается в мелкие кристаллы, а на некотором удалении от стыка стекло уже не такое холодное, и образуются веточки.
Здесь можно увидеть направление градиента холода, в этом направлении вытянуты кристаллы.
А вот здесь градиента нет, стекло везде равномерно холодное, поэтому получаются кристаллы, направленные в разные стороны.
Величина веточек зависит от крутизны градиента: длинные ветки растут при плавном изменении температуры и влажности вдоль стекла, короткие - при крутом градиенте.
В общем, величина потока энергии через данное вещество обусловливает форму образующихся кристаллов. Чем поток энергии больше (круче градиент), тем больше отношение площадь поверхности/объем кристалла.
При отсутствии градиентов кристаллы имеют правильную форму с минимумом выступов (минимальной площадью).
Но чем больше градиент, тем больше кристалл вытягивается, больше образует ответвлений. Ещё больше энергии - шире "листочки", разветвлённее и тоньше "веточки". Ещё больше - веточки рассыпаются на отдельные "снежинки", "цветочки". Ну и так далее.
В металлургии эти свойства кристаллов широко используются. Если быстро охладить лист железа, в нём возникнут металлические дендриты с тонкими веточками, трехмерная структура будет тонкой, механические свойства листа железа будут равномерными.
Если охлаждение провести медленнее, веточки и листья станут потолще, трехмерная структура станет неравномерной, но будет больше твердых/прочных участков, и такой металл можно использовать в качестве резака.
Рост кристаллов под влиянием других градиентов, не температурных
Магнитные кристаллы/домены растут в направлении градиента магнитного поля. Очень быстро - в течение долей секунд или минут.
В электрическом поле растут металлические кристаллы - усы (Whiskers).
Интересным является и тот факт, что доподлинно механизм образования подобных усов до сих пор неизвестен, хотя и существует множество теорий ни одна из них на 100% не подтверждена. Известно, что чаще всего подобные образования появляются на деталях подверженных разного рода напряжениям, источником которых может являться множество причин - сама технология нанесения покрытий, механическое силовое воздействие (например закручивание гаек и болтов прижимающих поверхность с оловянным покрытием), формовка ножек деталей, царапины, термоперепады и т.д.
То есть, как говорит автор, на возникновение усов влияют не только градиенты электрического поля, хотя обнаруживают их именно в электроприборах, но и механические градиенты (закручивание гаек), и, вероятно, электрохимические (царапины).
А еще была я недавно в южных краях нашей Родины, рассматривала там голубые ели и удивлялась, что у них такие толстенькие веточки и иголочки сравнительно с голубыми елями в Сибири или даже на севере Европейской части.
Разве толщина веток не указывает на более плавный градиент? Конечно, указывает. И если подумать, действительно - в южных регионах перепады температур не такие, как в Сибири.
Так что и растения вполне подчиняются законам кристаллического роста.
И даже общество: Мерности и развитие