Электрические свойства

Электрические свойства – совокупность свойств, характеризующих способность веществ и материалов проводить электрический ток в электрическомполе.

К электрическим свойствам, наиболее широко используемым для исследования материалов (особенно металлических) и оценки возможности их практического применения, в первую очередь, относится удельная электропроводность и обратная ей величина – удельное электрическое сопротивление ρ, атакже температурный коэффициент удельного электросопротивления α_ρ0

Электропроводность (электрическая проводимость) – способность материала пропускать электрический ток под воздействием электрического поля,а также физическая величина, количественно характеризующая эту способность.

Электропроводность определяется наличием подвижных носителей заряда.

Механизмы переноса заряда при различных агрегатных состояниях веществасильно различаются. Однако величина переносимого заряда всегда равна целому числу элементарных электрических зарядов.

Электрическое сопротивление (электросопротивление) – свойство материала, определяющее силу его противодействия электрическому току при заданном напряжении электрического поля.

Удельное электрическое сопротивление ρ₀– характеристика, применяемая

для оценки электросопротивления, Ом·мм² /м (в единицах СИ Ом·м).

ρ₀=R S / L,

где R, S и L– соответственно электрическое сопротивление, площадь и длинапроводника электрического тока.

Значения удельных электрических сопротивлений для металлов и сплавов приводятся в справочной литературе.

Все материалы, применяемые в технике, по своим электрическим свойствам делят на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Различаются эти материалы по величине электросопротивления, по характеру его температурного изменения и по типу проводимости. Резкой границы между диэлектриками и полупроводниками провести нельзя. По величине удельногоэлектросопротивления принято следующее деление:

– проводники – 10^-5...10^-8Ом·м и менее;

– полупроводники –10^–6...10⁷Ом·м;

– диэлектрики – 10⁷...10¹⁸Ом·м.

Электрическое сопротивление у диэлектриков и полупроводников с повышением температуры уменьшается, а у проводников – растет. У некоторых металлов при внешних воздействиях (например, при уменьшении температуры)сопротивление скачком уменьшается практически до нуля (явление сверхпроводимости).

Характер изменения электрических свойств различных материалов привнешних воздействиях можно объяснить, если рассмотреть, что является в нихносителем зарядов.

Проводники по типу носителей зарядов делятся на электронные (металлыи сплавы), ионные (электролиты) и смешанные, где имеет место движение каксвободных электронов, так и ионов (например, плазма). Чистые металлы обладают малым удельным электросопротивлением (ρ₀= 0,015...0,105 Ом·мм2 /м).

Исключением является ртуть, у которой удельное электросопротивление со-ставляет 0,943...0,952 Ом·мм2 /м. Сплавы имеют более высокие значения удельного электросопротивления (ρ₀= 0,30...1,8 Ом·мм2 /м). К группе сплавов с повышенным удельным электросопротивлением относятся жаро- и коррозионностойкие сплавы, которые применяются в электронагревательных приборах иреостатах.

Для полупроводников носителями зарядов являются электроны проводимости (электронная проводимость n-типа) и дырки (дырочная проводимость р-типа). Электронами проводимости являются электроны, способныеперемешаться по кристаллу. Дырка – электронная вакансия в кристалле полу-

проводника, обладающая подвижностью. Дырки – положительно заряженныйноситель тока в полупроводнике.

В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловымвозбуждением, одинаковое число электронов и дырок движется в противоположных направлениях (собственная проводимость). Собственная проводимостьвозрастает при повышении температуры.

Электроны проводимости в полупроводниковых материалах могут образоваться под действием света (внутренний фотоэффект). При достаточно большой энергии светового потока проводимость полупроводниковых материалов возрастает. Техническое применение: фотосопротивления.

Проводимость полупроводника можно увеличить добавлением атомовдругих элементов (легированием), при этом возникает примесная проводимость. Примесная проводимость может быть обусловлена электронами илидырками. При этом в одном и том же образце полупроводникового материалаодин участок может обладать р-проводимостью, а другой – n-проводимостью.

р-n-переход работает как выпрямитель, пропуская ток только из р-области в n-область. Полупроводниковый материал с р-n-переходом называют диодом ииспользуется для выпрямления переменного тока.

Твердые диэлектрические материалы (полимеры, керамика, неорганиче

ское стекло и др.) делят на неполярные и полярные диэлектрики.

Неполярные диэлектрики могут иметь молекулярное (полиэтилен, фторопласт-4 и др.) или ионное кристаллическое (слюда, кварц и др.) строение.

Молекулярные диэлектрики состоят из электрически нейтральных молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическимисвойствами. Ионные кристаллические диэлектрики образованы парами ионов,причем каждая пара составляет нейтральную частицу. Ионы располагаются вузлах кристаллической решетки.

Полярные диэлектрики (например, поливинилхлорид) состоят из полярных молекул – диполей. Электрические диполи представляют собой пары зарядов противоположных знаков, которые взаимно уравновешиваются и находятсяна некотором расстоянии друг от друга.

Магнитные свойства

Магнитное состояние веществ определяет магнетизм.

Магнетизм – особая форма взаимодействия, осуществляемого магнитнымполем, между движущимися электрически заряженными частицами (телами)или частицами (телами) с магнитным моментом.

Магнитный момент М – векторная величина, характеризующая веществакак источник магнитного поля. Полный магнитный момент свободного атомаравен геометрической сумме орбитальных и спиновых моментов всех его электронов. Упорядоченно ориентированные магнитные моменты атомов веществасоздают макроскопический магнитный момент.

Характеристикой магнитного состояния вещества является намагниченность J, которая определяется как отношение магнитного момента М веществак его объему V.При этом достижение максимально возможного для данноговещества значения намагниченности J_∞называется магнитным насыщением.

Домен – элемент субструктуры химически однородного вещества, характеризующийся спонтанной (самопроизвольной) намагниченностью. Обычнодомены имеют размеры 10^-5...10^-2 см и доступны непосредственному наблюдению.

Вещества в соответствии со схемами ориентации магнитных моментов ихатомов классифицируются по магнитному состоянию на парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (рис. 1.2).

1.2. Схемы ориентации магнитных моментов атомов

для парамагнетиков (а), ферромагнетиков (б), антиферромагнетиков (в)

У парамагнетиков магнитные моменты атомов внутри каждого доменаориентированы хаотично и взаимно компенсируют друг друга, поэтому материал в целом не намагничен. Парамагнетиками являются все переходные металлыс недостроенными f- и d-электронными оболочками; щелочные и щелочноземельные металлы, ряд солей Fe, Co, Ni и редкоземельных элементов; водныерастворы солей, содержащих ионы переходных элементов; из газов – кислородО2.

У ферромагнетиков внутри каждого домена магнитные моменты атомоврасположены параллельно друг другу в одном направлении, и поэтому каждыйдомен спонтанно намагничен до величины магнитного насыщения. Вектора намагниченности доменов ферромагнетиков в отсутствие внешнего магнитногополя ориентированы таким образом, что результирующая намагниченность образца в целом, как правило, равна нулю.

Ферромагнетизм проявляется в кристаллах Fe, Co, Ni, ряде редкоземельных металлов (Gd, Dy, Er и др.), в сплавах и соединениях с участием этихэлементов, а также в сплавах Сr, Мn и в соединениях U. Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов (например, Fe или Со) в диамагнитной матрице Pd. Ферромагнитныесвойства обнаружены также в металлических стеклах и аморфных полупроводниках.

У некоторых веществ более выгодным является антипараллельное упорядочение магнитных моментов в доменах. В этом случае домен состоит из двухподрешеток с противоположной ориентацией магнитных моментов атомов. Если магнитные моменты двух подрешеток скомпенсированы, то такие веществаназывают антиферромагнетиками, а если не скомпенсированы, то возникаетрезультирующий магнитный момент, и такие тела называют ферримагнетиками. Антиферромагнитные материалы относятся к группе парамагнетиков, аферримагнитные – к группе ферромагнетиков.

К антиферромагнетикам относятся ряд элементов (твердый кислород, Сr,

α-марганец и др.) и порядка тысячи известных химических соединений метал

лов (NiF2, FeО и др.). Значительная часть ферримагнетиков – это диэлектрические или полупроводниковые ионные кристаллы, содержащие магнитные ионыразличных элементов или одного элемента, но находящиеся в разных кристаллографических позициях (в неэквивалентных узлах кристаллической решетки).

К ферримагнетикам относятся также ряд упорядоченных металлических спла

вов, интерметаллиды и, главным образом, различные оксиды, в том числе ферриты.

Вещества даже одного и того же химического состава в зависимости от

кристаллического строения и фазового состава могут находиться в различныхмагнитных состояниях. Например, Fe, Co и Ni с кристаллическим строениемниже определенной температуры (точка Кюри) обладают ферромагнитнымисвойствами, а выше этой температуры они парамагнитны. Переход из парамагнитного состояния в антиферромагнитное переходит при понижении температуры.

Все материалы по величинам магнитных восприимчивости и проницаемости делятся на ферромагнитные(μ ≥ 1, κ > 0); парамагнитные(μ> 1, κ > 0) и

диамагнитные(μ < 1, κ < 0).

Величина магнитной восприимчивости капа для пара- и диамагнитных материалов очень мала (10-4...10-6); для ферромагнитных материалов (металлов

переходных групп) – от нескольких десятков до тысяч единиц, причем она

сильно и сложным образом зависит от напряженности намагничивающего поля.

По величине магнитной проницаемости существует деление электротехнических материалов нанемагнитные и магнитные.

Немагнитныематериалы– пара-, диа- и слабоферромагнитные материа-

лы с магнитной проницаемостью менее 1,5. К немагнитным материалам отно

сятся большинство металлов и сплавов (в том числе некоторые стали), полимеры, дерево, стекло и т. д.

Магнитныематериалыклассифицируют по их физической природе и ве-

личине коэрцитивной силы.

По физической природе магнитные материалы делят (отраслевое деление)

на три группы: металлическиематериалы, неметаллическиематериалы и маг-

нитодиэлектрики.

К неметаллическим магнитным материалам относятся ферриты– ферри-

магнитные материалы, получаемые из порошкообразной смеси оксидов некото-

рых переходных металлов и оксида железа путем прессования с последующим

спеканием. По магнитным свойствам ферриты аналогичны ферромагнетикам.

Магнитодиэлектрики– композиционные материалы, состоящие из

70...80 % порошкообразного магнитного материала (ферро- или ферримагнетика) и 30...20 % диэлектрического материала (например, полистирола, резины идр.). Магнитодиэлектрики применяются в приборостроении (постоянные магниты, эластичные герметизаторы для разъемных соединений и др.).