Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше
Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике
§ 7. Тензоры высших рангов
Тензор
напряжений
описывает
внутренние силы в веществе. Если при этом материал упругий, то внутренние
деформации удобно описывать с помощью другого тензора
- так называемого тензора
деформаций. Для простого объекта, подобного бруску из металла, изменение длины
, как вы знаете,
приблизительно пропорционально силе, т. е. он подчиняется закону Гука
.
Для
произвольных деформаций упругого твердого тела тензор деформаций
связан с тензором
напряжений
системой
линейных уравнений
. (31.26)
Вы
знаете также, что потенциальная энергия пружины (или бруска) равна
,
а
обобщением плотности упругой энергии для твердого тела будет выражение
. (31.27)
Полное
описание упругих свойств кристалла должно задаваться коэффициентами
. Это знакомит нас
с новым зверем - тензором четвертого ранга. Поскольку каждый из индексов может
принимать одно из трех значений -
,
или
, то всего оказывается
коэффициент. Но
различны из них на самом деле только 21. Во-первых, поскольку тензор
симметричен, у
него остается только шесть различных величин, и поэтому в уравнении (31.27)
нужны только 36 различных коэффициентов. Затем, не изменяя энергии, мы можем
переставить
и
, так
что
должно
быть симметрично при перестановке пары индексов
и
. Это уменьшает число коэффициентов
до 21. Итак, чтобы описать упругие свойства кристалла низшей возможной
симметрии, требуется 21 упругая постоянная! Разумеется, для кристаллов с более
высокой симметрией число необходимых постоянных уменьшается. Так, кубический
кристалл описывается всего тремя упругими постоянными, а для изотропного
вещества хватит и двух.
В
справедливости последнего утверждения можно убедиться следующим образом. В
случае изотропного материала компоненты
не должны зависеть от поворота осей.
Как это может быть? Ответ: они могут быть независимы, только когда выражаются
через тензоры
.
Но существует лишь два возможных выражения, имеющих требуемую симметрию, - это
и
, так что
должно быть их
линейной комбинацией. Таким образом, для изотропного материала
;
следовательно,
чтобы описать упругие свойства материала, требуются две постоянные:
и
. Я предоставляю
вам самим доказать, что для кубического кристалла требуются три такие
постоянные.
И
еще один последний пример (на этот раз пример тензора третьего ранга) дает нам
пьезоэлектрический эффект. При напряженном состоянии в кристалле возникает
электрическое поле, пропорциональное тензору напряжений. Общий закон
пропорциональности имеет вид
,
где
-
электрическое поле, a
- пьезоэлектрические коэффициенты
(пьезомодули), составляющие тензор. Можете ли вы сами доказать, что если у
кристалла есть центр инверсии (т. е. если он инвариантен относительно замены
), то все его
пьезоэлектрические коэффициенты равны нулю.