Электротехнические материалы
1. Классификация электротехнических материалов.
Все тела, в зависимости от их электрических свойств, могут быть отнесены к группе диэлектриков, проводников или полупроводни-ков. Различие между проводниками, полупроводниками и диэлект-риками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетиче-ских диаграмм зонной теории твердых тел [3].
Энер-гетические уровни.
Схема расположения.
Исследование спектров излучения различных веществ в газо-образном состоянии, когда атомы отстоят друг от друга на больших расстояниях, показывает, что для атомов каждого вещества харак-терны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о на-личии определенных энерге-тических состояний (уровней) для разных атомов. Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невоз-бужденном состоянии атома, на других электроны могут находиться только тогда, когда атом подверг-нется внешнему энергетическому воздействию; при этом он возбуж-ден. Стремясь прийти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент перехода электронов с возбужденных уровней на уровни, при которых его энергия минимальна. Сказанное можно характери-зовать энергетической диаграммой атома, приведенной на рис. 3.1.
При конденсации газообразного вещества в жидкость, а затем образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни (как заполненные элект-ронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдель-ных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется целая полоса -- зона энергетических уровней.
Рис. 3.2. показывает различие в энергетических диаграммах (при температуре 0° К) металлических проводников, полупроводников и диэлектриков. Диэлектриком будет такое тело, у которого запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обыч-ных условиях не наблюдается. Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внеш-них энергетических воздействий. У металлических проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны, так как они могут переходить с уровней заполненной зоны на не занятые уровни свободной зоны под влиянием слабых напряженностей приложенного к проводнику электрического поля.
При отсутствии в полупроводнике свободных электронов (Т = 0° К) приложенная к нему разность электрических потенциалов не вызовет тока. Если извне будет подведена энергия, достаточная для переброса электронов через запрещенную зону, то, став свобод-ными, электроны смогут перемещаться и под действием электриче-ского поля, создавая электронную электропроводность полупровод-ника.
Энергетическое отличие металлических проводников от полупроводников и диэлектриков
Рис. 3.2.
В заполненной зоне, откуда ушел электрон, образовалась «элект-ронная дырка», а потому в полупроводнике начнется другое «эста-фетное» движение электронов, заполняющих образовавшуюся дыр-ку, причем под воздействием электрического поля дырка будет дви-гаться в направлении поля как эквивалентный положительный за-ряд.
Процесс перехода электронов в свободное состояние сопрово-ждается и обратным явлением, т. е. возвратом электронов в нор-мальное состояние. В результате в веществе наступает равновесие, т. е. количество электронов, переходящих в свободную зону, ста-новится равным количеству электронов, возвращающихся обратно в нормальное состояние.
С повышением температуры число свободных электронов в по-лупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолют-ного нуля -- убывает вплоть до нуля.
Таким образом, вещество, представляющее собой диэлектрик при одних температурах, при других, более высоких, может при-обрести проводимость; при этом происходит качественное изменение вещества.
Энергию, необходимую для перевода электрона в свободное состояние или для образования дырки, могут доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии, например, пог-лощенная материалом энергия света, энергия потока электронов и ядерных частиц, энергия электрических и магнитных полей, меха-ническая энергия и т. д.
Увеличение числа свободных электронов или дырок в веществе под воздействием какого-либо вида энергии способствует повышению электропроводности, увеличению тока, появлению электродвижу-щих сил.
Электрические свойства определяются условиями взаимодей-ствия атомов вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Например, углерод в виде алмаза является диэлект-риком, а в виде графита он обладает большой проводимостью.
Примеси и связанные с ними дефекты кристаллической решетки также играют большую роль в электрических свойствах твердых тел.
2. Проводники.
В качестве проводников электрическог
