Электрофизические свойства материалов

Электропроводность – свойство материалов проводить электрический ток обусловленное наличием в них подвижных зарядов – носителей тока. Природу электропроводности твердых тел объединяет зонная теория – квантовая теория энергетического спектра элементов в твердых телах, согласно которой этот спектр состоит из чередующихся зон разрешенных и запрещенных энергий.

В нормальном состоянии электроны могут иметь только определённые значения энергии, т.е. занимать разрешённые энергетические уровни. Эти уровни образуют в твердом теле валентную зону, которую при температуре абсолютного нуля целиком заполнена электронами. Пустые или частично заполненные более высокие уровни образуют зону проводимости. Возбуждаясь, т.е. приобретая добавочную энергию (нагревание, излучение, электрическое поле и др.), валентные электроны могут переходить в зону проводимости. Если V-зона и С-зона перекрывается, то даже при незначительном возбуждении электроны могут перемещаться от атома к атому. Материалы такого типа – проводники обладают высокой электропроводностью. Запрещенная зона – это область энергий, которые электроны иметь не могут. По ширине запрещенной зоны проводится градация между полупроводниками и диэлектриками. В полупроводниках невелика ( 3,5эВ) и для перехода электронов из V- в C-зону достаточно небольшого возбуждения. Поэтому электрофизические свойства полупроводников очень чувствительны к внешним воздействиям и содержанию примесей. У диэлектриков 3,5 эВ и для перевода электронов из V- в C-зону слабого теплового возбуждения мало. Электропроводность диэлектриков очень мала в силу малого числа носителей заряда. Основной вклад в электропроводность дают ионы, образованные в результате разрыва химических связей.

Электрическое сопротивление постоянному току, приводящие к переходу электрической энергии в теплоту, называют активным или омическим. Для кристаллических материалов оно связано с рассеянием электронов проводимости и может быть записано:

где ρ_ф – рассеяние на тепловых колебаниях кристаллической решетки (фононах), ρ_пр, ρ_д и ρ_гр - примесных атомах, дефектах структуры и границах зерен, соответственно. Видно, что электрическое сопротивление зависит от температуры и только при Т К, когда тепловые колебания атомов отсутствуют, оно полностью определяется составом и кристаллической структурой материала.

Сверхпроводимость - свойство некоторых материалов (сверхпроводников) скачком переходить в состояние с при охлаждении до температур ниже характерной для них критической температуры (рассказать о нормальных сверхпроводниках и ВТСП-материалах).

Электрическое сопротивление переменному току называется полным – в его цепи любой проводник, помимо активного (R ), обладает емкостным R и индуктивным R сопротивлениями, которые обусловлены передачей энергии электрическому и магнитному полям.

С увеличением частоты полное R возрастает, поскольку растут R и R и ток вытесняется к поверхности проводника (скин-эффект).

Основными электрическими свойствами материалов являются - удельное электрическое сопротивление: , где S - площадь поперечного сечения образца, L и R - его длина и сопротивление удельная электропроводность: . Для проводников -10 (Ом/м) , для полупроводников (Ом/м)^-1, для диэлектриков (Ом/м)^-1.

Для металлов: , где и - удельное сопротивление при температурах Т и 0 К, соответственно: - температурный коэффициент электрического сопротивления ( изменение при изменении температуры на ).

Ток в диэлектриках называют током утечки и различают - протекающий через объём материала и - протекающий по поверхности образца. Соответственно диэлектрики характеризуют объёмным (Ом*м) и поверхностным (Ом) удельным электрическим сопротивлением.

Поляризация диэлектриков - смещение связанных электрических зарядов под действием внешнего электрического поля. При этом в материале создаётся собственное внутреннее электрическое поле, направленное против внешнего поля. Механизмы поляризации обусловлены природой химических связей в диэлектриках, но при любом из них в материале образуется электрические диполи, которые характеризуются дипольным моментом: , где q-точечный заряд диполя, l-расстояние между зарядами (плечо диполя). Поляризацию диэлектриков количественно характеризуют дипольным моментом единого объёма материала или вектором поляризации: , где - дипольные моменты частиц, N - их число в единице объёма. Для изотропных диэлектриков совпадает по направлению и пропорционален напряженности внешнего электрического поля.

ǽ = ,

где ǽ - диэлектрическая восприимчивость (характеризует поляризуемость материала); - электрическая постоянная, - диэлектрическая проницаемость, равная отношению в вакууме к Е в однородном бесконечном

диэлектрике при одинаковом Е внешнем. В анизотропных кристаллах диэлектриков направление определяется не только , но и осями симметрии кристалла.

Особый класс диэлектриков составляют сегнетоэлектрики, обладающие в определенном интервале температур произвольной (спонтанной) поляризацией, сильно зависящей от внешних воздействий (активные диэлектрики).

Диэлектрические потери – часть энергии переменного электрического поля, необратимо переходящая в теплоту. Количественно их характеризуют величиной tg угла диэлектрических потерь tg , где - разность фаз между векторами поляризации материала и напряженности внешнего поля. Диэлектрические потери, приходящиеся на единицу объёма диэлектрика (Вт/м ):

,

где К - коэффициент; f- частота внешнего электрического поля, Гц. Произведение - коэффициент диэлектрических потерь.

Пробой диэлектрика – резкое возрастание его электропроводности в электрических полях с напряженностью, превышающей некоторое критическое значение. Пробой м.б. разной природы, но всегда приводит к необратимой потере диэлектриками изоляционных свойств в результате шнурования тока по каналу пробоя. Напряженность однородного электрического поля, при которой наступает пробой, называют электрической прочностью или напряженностью пробоя Е диэлектрика.