Лекция 14.

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Классификация веществ по электрическим свойствам в соответствии с зонной теорией

Все вещества в зависимости от их электрических свойств относят к диэлектрикам, проводникам или полупроводникам. Различие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.

Электроны атомов каждого вещества в газообразном состоянии (когда атомы расположены относительно друг друга на больших расстояниях, и их взаимодействием можно пренебречь) могут находиться только в определенных энергетических состояниях (занимать определенные уровни энергии).

 

 

Соотношение энергетических уровней изолированного атома (1,2) и атома в твердом теле (3,5)

 

 

1 — нормальный энергетический уровень атома; 2 — уровни возбужденного состояния атома; 3 — свободная зона; 4 — запрещенная зона; 5 — заполненная электронами зона

В конденсированном состоянии (жидком, а тем более в твердом) под действием соседних атомов электронные уровни (заполненные и незаполненные электронами) расщепляются, образуя полосу — зону энергетических уровней.

Если в зоне не все энергетические уровни заняты электронами, то электроны могут, повышая свою энергию за счет энергии внешних воздействий, переходить на более высокие свободные уровни. Такие электроны, находящиеся внутри частично заполненной энергетической зоны, называются свободными электронами в твердом теле. Если к кристаллу приложено электрическое поле, изменению энер­гии свободных электронов соответствует направленное перемещение их в пространстве, т.е. свободные электроны обусловливают протекание электрического тока.

Энергетические зоны, образованные совокупностью энергетических уровней, называют зонами разрешенных значений энергии или разрешенными зонами. Разрешенные зоны обычно отделены друг от друга запрещенными зонами, т.е. промежутками значений энергии, которыми электрон в данном кристалле обладать не может.

Электрический ток в твердых телах может быть обусловлен свободными электронами, перемещающимися в в разрешенной зоне, расположенной над валентной - в зоне проводимости.

В соответствии с видом энергетических диаграмм электротехнические материалы можно разделить на диэлектрики, полупроводники и проводники.

Энергетические зоны в изоляторе (а), полупроводнике (б) и металле (в)

У диэлектриков запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных случаях не наблюдается.

У проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого свободные электроны в металле могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни зоны проводимости под влиянием слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля и приходить в направленное движение под действием разницы потенциалов.

Полупроводники обладают более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий.

При отсутствии в полупроводнике свободных электронов (при нуле Кельвина) приложенная к нему разность электрических потенциалов не вызовет тока. Если извне будет подведена энергия, достаточная для переброса электронов через запрещенную зону, то, став свободными, электроны смогут перемещаться под действием электрического поля, создавая электронную электропроводность полупроводника.

В заполненной зоне, откуда ушел электрон, образовалась «электронная дырка», а потому в полупроводнике начнется другое, «эстафетное», движение электронов, заполняющих образовавшуюся дырку, причем под воздействием электрического поля дырка будет перемещаться в направлении поля, как эквивалентный положительный заряд.

Энергию, необходимую для перехода электрона в свободное состояние или для образования дырки, может доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии, например свет, поток электронов и ядерных частиц, электрические и магнитные поля, механические воздействия и т. д.

Электрические свойства вещества не являются непременной особенностью составляющих его атомов, они определяются условиями взаимодействия атомов вещества в твердом теле. Например, углерод в виде алмаза является диэлектриком или полупроводником, а в виде графита обладает большой проводимостью. В ГЦК кристаллической структуре алмаза все валентные электроны у каждого из атомов углерода не свободны, они задействованы в ковалентных связях. Свободные электроны или «дырки» в алмазе могут появиться при введении некоторых примесей, тогда алмаз проявляет полупроводниковые свойства.

У графита слоистая гексагональная кристаллическая структура, между слоями действуют молекулярные силы химической связи, в слоях атомы связаны парными и одинарными ковалентными связями.

Парные связи ввиду своей нестойкости частично преобразуются в одинарные, а освободившиеся валентные электроны могут стать свободными, обеспечивающими электропроводность графита.

Вещества, в кристаллической структуре которых преобладают металлические связи, предполагающие наличие свободных электронов, являются проводниками.

Проводниковые материалы

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление r при нормальной температуре не более 0,05 мкОм·м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие р при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм-м.

Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т.п.

Металлы и сплавы высокого электросопротивления, применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов и т.п.

Особый интерес представляют собой материалы, обладающие нулевым и чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах — сверхпроводники и криопроводники.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало фото- и ударной ионизации, то газ стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Механизм прохождения тока в металлах - как в твердом, так и в жидком состоянии - обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля, поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью, или проводниками первого рода. Проводниками второго рода с ионной проводимостью, или электролитами, являются растворы (в частности, водные) кислот, щелочей и солей.