Лекция 1

Классификация материалов по электрическим свойствам.

Основные типы материалов, применяемых в электротехнике.

Общие сведения о строении вещества.

1. Общие сведения о строении вещества. Электроматериалы обладают большим разнообразием свойств, благодаря которым их применяют в изделиях электронной аппаратуры. От этих свойств зависят такие процессы в элементах радиоприборов, как передача, генерация, выпрямление или модуляция электрического тока, преобразование электрических сигналов в звуковые или световые и т.д. Эти свойства позволяют изготавливать такие разные по функциональному назначению, конструктивному исполнению и размерам изделия, как провода, волноводы, трансформаторы, магниты, электронные лампы, лазеры и мазеры, приемники света, полупроводниковые интегральные схемы и т.д. Для правильного выбора и эффективного использования этих материалов необходимо знание не только проявления их свойств, но и причин их разнообразия, которые связаны со строением вещества.

Все вещества состоят из атомов. Атом представляет собой систему, состоящую из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Из атомов строятся молекулы. Связи, благодаря которым происходит объединение атомов в молекулы, называются химическими. Химические связи между атомами вещества делят на ковалентные (атомные), ионные, металлические и молекулярные.

Ковалентные связи возникают между атомами за счет образования устойчивых пар валентных электронов разных атомов. Эти пары являются общими для атомов, которые входят в молекулу. В отличие от ионной атомная связь имеет направленный характер. Эта связь образуется в направлении наибольшей плотности объединенных электронов. Поэтому вещества с ковалентными связями обычно характеризуются твердостью, хрупкостью, тугоплавкостью и химической инертностью. К ним относятся кристаллы германия, кремния, алмаза, соединения элементов из средних групптаблицы Д.И.Менделеева - SiC, BN. Атомные связи характерны для таких газов, как Н2, 02, N2. Молекулы некоторых органических соединений: полиэтилена (С2Н4)и, политетрафторэтилена (C2F4)n - имеют ковалентную связь, при этом между отдельными молекулами в этих материалах образуются молекулярные связи.

Ионные связи обусловлены силами электростатического притяжения между положительными и отрицательными ионами. Соединения с ионной связью обладают разными свойствами, которые характерны для типичных металлов и неметаллов. Такие связи наиболее

характерны для неорганических диэлектриков, которые имеют в своем составе ионы противоположных знаков (большинство солей и некоторые оксиды, например, ZnO, CdO, NiO, Cu02). Ионные связи менее прочны, чем ковалентные, поэтому соединения, образованные ионной связью, уступают веществам с ковалентной связью по механической прочности и химической стойкости.

Металлические связи образуются в металлах и обусловлены особенностями поведения внешних (валентных) электронов. Атомы металлов обладают способностью отдавать внешние (валентные) электроны, превращаясь в положительный ион, или присоединять их вновь, превращаясь снова в нейтральный атом. Внешние электроны, которые покидают атомы, становясь свободными, называются коллективизированными. В результате металл представляет собой систему, состоящую из положительных ионов, которые находятся в среде коллективизированных электронов. В этой системе одновременно имеют место притяжение между ионами и свободными электронами и ковалентная связь между нейтральными молекулами. Наличие этих связей определяет монолитность и прочность металлов. Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью. Металлическая связь в отличие от ковалентной не имеет направленного характера, что придает металлам высокую пластичность. Большинство металлов имеют высокие температуры плавления и кипения.

Молекулярные связи образуются между отдельными молекулами в результате электростатического притяжения между зарядами противоположных знаков, которые имеются в молекулах. Такое электростатическое притяжение называют силами Ван-дер-Ваалъса. С помощью таких сил образуются молекулы в твердом водороде Н2, азоте N2, углекислом газе С02 и других органических соединениях - полиэтилене, фторопласте и др.

В твердых веществах атомы и молекулы располагаются в строгом порядке и хаотично. Вещества с закономерным упорядоченным расположением атомов или молекул в пространстве называют кристаллическими, а вещества с беспорядочным расположением атомов или молекул - аморфными.

В отличие от кристаллических аморфные вещества не имеют строго определенной температуры перехода из твердого состояния в жидкое. Этот переход осуществляется в некотором диапазоне температур. При понижении температуры у аморфных материалов, находящихся в жидком состоянии, происходит быстрое повышение вязкости, которое затрудняет перемещение молекул, необходимое для формирования и роста кристаллов.

Аморфные вещества делятся на две группы: простые аморфные, к которым относятся низкомолекулярные жидкости, неорганические стекла, плавленный кварц и др.; высокополимерные соединения, к которым относятся каучуки, резины, органические стекла, смолы.

Аморфно-кристаллические вещества. Некоторые вещества могут находиться в кристаллическом и аморфном состояниях. Аморфное состояние вещества менее устойчиво, чем кристаллическое, поэтому возможен самопроизвольный переход вещества из аморфного состояния в кристаллическое. Примером такого превращения служит расстекловывание, в процессе которого происходит самопроизвольная кристаллизация стекла при повышенных температурах или давлении. В связи с образованием мелких кристаллов стекло меняет свои оптические свойства и превращается в аморфно-кристаллический материал, называемый ситаллом. Аморфно-кристаллическое состояние свойственно оксиду кремния, который встречается в природе в виде кристаллов кварца, а также в аморфном состоянии в виде минерала опал. В определенном интервале температур в термодинамически устойчивом состоянии, которое характерно для аморфно-кристаллических веществ, находятся жидкие кристаллы.

2. Основные типы материалов, применяемых в электротехнике.

По назначению материалы, используемые в различных областях электроники, условно подразделяют на конструкционные и электротехнические.

Конструкционные материалы применяют для изготовления несущих конструкций, а также вспомогательных деталей и элементов радиоприборов, работающих в условиях воздействия механических нагрузок.

Электротехническими называют материалы, обладающие особыми свойствами по отношению к электромагнитному полю. К ним относятся: проводники, диэлектрики, полупроводники и магнитные материалы. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля. В них протекают электрические токи, выделяется тепловая энергия, происходят потери электрической энергии, происходит нагревание материалов. Более специфичны магнитные материалы, в них запасается магнитная энергия, в них также происходят ее потери, выделяется тепло при работе в переменном электрическом поле.

Проводники - это материалы с сильно выраженной электропроводностью. По применению их делят на материалы высокой проводимости (для проводов различного назначения, токопроводящих деталей, электрических контактов) и материалы высокого сопротивления (для резисторов и нагревательных элементов).

Диэлектрики - это материалы, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. По применению различают пассивные диэлектрики (электроизоляционные) и активные диэлектрики (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), свойствами которых можно управлять внешним энергетическим воздействием.

Полупроводники - это материалы с сильной зависимостью электропроводности от концентрации и вида примесей, дефектов структуры и внешних энергетических воздействий (температуры, электромагнитных полей, освещенности и т.д.).По отношению к магнитному полю большинство электротехнических материалов - немагнитные либо слабомагнитные вещества. Существует особая группа материалов, проявляющих сильные магнитные свойства.

Магнитные материалы способны сильно намагничиваться во внешнем магнитном поле. По особенностям процесса намагничивания, связанным с их строением, они делятся на ферромагнетики и ферримагнетики (ферриты). Различают магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитомягкие материалы легко перемагничиваются. Их применяют в электромагнитах и переменных магнитных полях в качестве сердечников трансформаторов, магнитопроводов электрических машин, реле и т.д. Магнитотвердые материалы трудно размагничиваются, обладают большим запасом магнитной энергии; их используют для изготовления постоянных магнитов и устройств для записи и хранения информации.

Основной характеристикой электротехнических материалов является удельная электропроводность - γ, Сименс/м, как коэффициент пропорциональности между плотностью тока j (А/м2) и напряженностью электрического поля E (В/м) в законе Ома

j = γ ⋅E

Удельная электропроводность зависит только от свойств материала. Этой характеристикой обычно пользуются в теории. На практике, для оценки электропроводности материалов и систем более широко используется обратная величина - удельное электрическое сопротивление - ρ, Ом•м,

γ_ρ = 1/ρ

Для основных групп электротехнических материалов значение ρ

составляет:

• проводники - ρ < 10^-5 Ом•м;

• диэлектрики - ρ > 10⁸ (до 10¹⁶) Ом•м;

• полупроводники - ρ = 10^-5…10⁸ Ом•м.

Что касается магнитных материалов, по величине удельной проводимости (удельному сопротивлению) они могут быть проводниками, полупроводниками или диэлектриками. Среди материалов, применяемых в электротехнических устройствах и приборах, особое место занимают сплавы с высокими упругими свойствами, которые применяются для упругих элементов (токопроводящие пружины, подвески, растяжки, мембраны и т.д.), и сплавы с особыми свойствами теплового расширения (сплавы инварного типа). Различают сплавы с минимальным коэффициентом линейного расширения, предназначенные для деталей приборов с повышенными требованиями постоянства линейных размеров при изменении температуры, и сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения - для создания вакуумплотных спаев с другими материалами (стеклом, керамикой и т.д.).

Следует выделить целый громадный класс материалов не по признаку их функционирования, а по составу. Это композиционные материалы.

Композиционные материалы - материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.

Примеры композиционных материалов - стеклопластик (стержни и трубы), стеклотекстолит листовой, материалы для контактов (смеси электропроводного и тугоплавкого металлов). Сочетание двух или более материалов позволяет использовать сильные стороны каждого из материалов. При этом свойства композита, далеко не всегда являются промежуточными между свойствами компонентов. В ряде случаев улучшаются характеристики, либо появляется материал с принципиально новыми характеристиками.

Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел. Сущность этой теории состоит в следующем. В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра на определенных орбитах. Согласно принципу Паули на каждой орбите может находиться не более двух электронов. Каждой орбите соответствует строго определенное значение энергии, которой может обладать электрон, т. е. каждая орбита представляет собой определенный энергетический уровень. Под воздействием притяжения положительно заряженного атомного ядра электроны стремятся занять ближайшие к ядру уровни с минимальным значением энергии. Поэтому нижние энергетические уровни оказываются заполненными электронами, а верхние уровни - свободными. Электрон может скачкообразно перейти с нижнего энергетического уровня Wl на другой свободный уровень W2 (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма энергетических уровней

изолированного атома G) и твердого тела B)

Для этого электрону необходимо сообщить дополнительную энергию ∆W = Wс- Wv Если свободных уровней в атоме нет, то электрон не может изменить свою энергию, поэтому не участвует в создании электропроводности. В кристаллической решетке, состоящей из нескольких атомов, отдельные энергетические уровни расщепляются на подуровни, которые образуют энергетические зоны (см. рис. 1). При этом расщепляются свободные и заполненные энергетические уровни. Зона, заполненная электронами, называется валентной. Верхний уровень валентной зоны обозначается Wv. Свободная зона называется зоной проводимости. Нижний уровень зоны проводимости обозначается Wc. Промежуток между валентной зоной и зоной проводимости называют запретной зоной ∆W. Значение запретной зоны существенно влияет на свойства материалов.

Если ∆W равна или близка к нулю, то электроны могут перейти на свободные уровни благодаря собственной тепловой энергии и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относят к проводникам. Типичными проводниками являются металлы.

Если значение запретной зоны превышает несколько электрон- вольт (1эВ - энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1В), то для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия. Такие вещества относят к диэлектрикам. Диэлектрики имеют высокое удельное электрическое сопротивление.

Если значение запретной зоны составляет 0,1...0,3 эВ, то электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимости благодаря внешней энергии. Вещества с управляемой проводимостью относят к полупроводникам.

В зависимости от структуры и внешних условий материалы могут переходить из одного класса в другой. Например, твердые и жидкие металлы - проводники, а пары металлов диэлектрики; типичные при нормальных условиях полупроводники германий и кремний при воздействии высоких гидростатических давлений становятся проводниками; углерод в модификации алмаза - диэлектрик, а в модификации графита проводник. Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, с помощью которой можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и т.д.

Дисциплина: «Машиноиспользование»

Специальность: 050724-«ТМиО»

Продолжительность: 2 часа

Дата добавления: 2014-01-07