Термическое расширение материала – это вполне обычное дело. Возьмём хотя бы пробку сливного отверстия масляного поддона двигателя. Некоторые остервенело пытаются выкрутить её «на горячее», срывают все шлицы, а потом оказывается, что нужно было всего лишь подождать и дать остыть агрегату, чтобы пробка "уменьшилась".
Существует множество примеров ситуаций, когда похожее поведение изделия недопустимо. При этом требуется сохранять высокую точность и имеющиеся размеры изделия даже с учётом нагрева. Это может быть значимо в прецизионных приборах, механических часах, сейсмических датчиках ползучести, телевизионных рамах с теневыми масками, клапанах в двигателях и много где ещё.
В 1920 году швейцарский физик Шарль Эдуард Гийом получил Нобелевскую премию по физике за совершенно невероятный (по меркам того времени) сплав, не подверженный тепловому расширению. Материал рассматривался как способ увеличить точность физических измерений при использовании аналоговых инструментов и сохранить правильность вне зависимости от условий эксплуатации.
Новый сплав железа и никеля проявлял нестандартные необходимые свойства. Он получил название «Инвар», которое происходит от слова «инвариантный», что означает относительное отсутствие расширения. Почему "относительное"? По той простой причине, что расширение всё-таки наблюдается, но измеряется оно долями процента, а диапазон рабочих температур системы при этом весьма солидный.
Позже диапазон химических составов инваров был описан учеными как «30 - 45 атомных процентов никеля» в сочетании с железом.
Вот только как объяснить с физической точки зрения невероятные свойства инваров? Почему они не расширяются?
Удивительно, но этот вопрос был чуть ли не очередным физическим парадоксом. На протяжении целых 100 лет объяснение подобрать не могли. В итоге свойства сплавов всё-таки получилось описать, благодаря появлению сложной установки, способной фиксировать сразу и атомные вибрации материала, и его магнитные характеристики. К слову, похоже у меня было правильное предположение на тему природы физических парадоксов. Их источник - отсутствие полноценного изучения проблемы.
Для того, чтобы объяснить поведение инваров, нужно вспомнить основы строения материала и специфику их поведения. Возьмем простую железяку и посмотрим, как она себя поведёт при нагревании.
Вместе с нагревом размеры тоже увеличиваются. Происходит это вследствие роста энергии у атомов, находящихся в узлах кристаллической решётки.
Температура характеризует передачу тепловой энергии, которая превращается в знаменитое тепловое движения. Движения (или вибрации) становятся всё более интенсивными и в какой-то момент времени мы наблюдаем физический рост размера образца.
Тут хорошо представить какой-нибудь жуткий пример про лягушку, которую посадили в воздушный шарик. Лягушка лапами давит на стенки и бултыхается, а размеры шарика из-за этого увеличиваются. Примерно также ведут себя и частицы в узлах решётки. Это и называется атомными вибрациями.
Рост периода кристаллической решетки, наблюдаемый в виду увеличения атомных вибраций, можно увидеть даже на макрообразцах при непосредственном наблюдении за их поверхностью с помощью микроскопов. Одно время по сети гуляла весёлая загадка про линейное расширение листа металла, где пытались понять, что произойдёт с вырезанным фрагментом из этого листа при совместном нагревании заготовок.
Но что тогда мешает работать этому стандартному механизму расширения в случае инваров?
По мере повышения температуры увеличивается и энтропия системы. Значит, тут какие-то проблемы… с энтропией. Но нет, это слишком хитро и сложно. Так можно дойти до вечного двигателя или машины времени, развернув направление энтропии.
Есть и ещё кое-что необычное. Инвары характеризуются тем, что способны намагничиваться и являются ферромагнетиками. Вспомним про причины существования намагниченности.
Магнитные свойства, если очень примитивно описывать явление, обусловлены совпадением направления движения электронов. Движущийся электрический заряд порождает магнитное поле и когда таких зарядиков (электронов в нашем случае) много и их направления совпадают, получаются полноценные магнитные свойства.
Значит, в отличие от стандартного материала и типичной железяки, электроны в ферримагнитном материале уже склонны к «странному синхронному поведению» и совпадению направлений.
Движением электронов описывают обычно и существование силы взаимного отталкивания между атомами в кристаллической решетке. Тут, пожалуй, я как-нибудь напишу отдельную заметку про этот принцип. Логика весьма сложная и, даже порой кажется, что никто полностью не понимает суть происходящего процесса. Но мы отсюда почерпнём одну простую истину - движение электронов ещё и отталкивает атомы, а если эти "движения" упорядочены и сгруппированы, то это интересный инструмент для описания того или иного явления.
При стандартных температурах большое количество электронов инвара перемещаются "обычным" образом, обеспечивая взаимное расположение атомов в узлах решётки. Когда температура инвара увеличивается, режим вращения некоторых из этих электронов переключается. Причем, как это свойственно ферромагнетикам применительно и к магнитным свойствам - делают они это синхронно. В обычном же сплаве наблюдается некоторое подобие этого процесса, но нет самого важного - упорядочивания.
Направления вращения электронов в инварах выравниваются. Атомы должны были бы при этом расположиться более компактно.
Наблюдаемая картина подразумевает «удобную» взаимную траекторию движения электронов и возможность сблизить их. Как блины можно соединить, если подносить друг к другу плашмя, но нельзя, если соединять диаметрально. Обычно такое поведение у прочих приводит к ещё одной аномалии - материал сжимается при разогреве.
Но атомы инвара начинают заодно ещё и вибрировать значительно сильнее, чем бывает в аналогичных случаях. Это их специфика и я уже вряд ли тут отвечу на вопрос "почему".
Происходит сразу два процесса. Сокращение размеров образца из-за изменения режима и направления вращения электронов и рост атомных вибраций из-за сообщения тепла.
Явления противодействуют друг другу и в итоге компенсируются. Материал не может не сжаться из-за нагрева, ни расшириться. Инвар в итоге не изменяется в размерах.
