Классификация материалов по электрическим свойствам
В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации на электроматериалы воздействуют электрическое и магнитное поля в отдельности и совместно. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.
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. 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 W1 на другой свободный уровень W2 (рис. 2.1). Для этого электрону необходимо сообщить дополнительную энергию 
. 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. 2.1). 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.
Рис 2.11 Диаграмма энергических уровней изолированного атома (1) и твердого тела (2).
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 (1 эВ - 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.
Проводниковые материалы служат для проведения электрического тока.
Обычно к проводникам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением р менее 
Ом*м.
Диэлектрические материалы обладают способностью препятствовать прохождению тока.
К диэлектрическим материалам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением р более 107 Ом*м. Благодаря высокому удельному электрическому сопротивлению их используют в качестве электроизоляционных материалов.
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.
Удельное электрическое сопротивление полупроводников составляет 
Ом*м.
Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность.
Электропроводность характеризуется удельной электрической проводимостью 
и удельным электрическим сопротивлением р:
(2)
J - плотность тока; y - удельная электрическая проводимость, См/м; Eнапряженность электрического поля, В/м; р = 1 /y - удельное электрическое сопротивление, Ом-м.
Значения удельной электрической проводимости у и удельного электрического сопротивления р у разных материалов существенно различаются. В сверхпроводящем состоянии удельное электрическое сопротивление материалов равно нулю, а у разреженных газов стремится к бесконечности.
Дата добавления: 2015-06-17; просмотров: 3964;