Электротехнические материалы

Применение тех или иных электротехнических материалов в электронике и электротехнике обусловлено, прежде всего, их электрическими и магнитными свойствами. Классификация материалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел. Как установлено многочисленными экспериментами, электроны в изолированном атоме могут находиться лишь на отдельных орбитах, которым соответствуют строго определенные значения энергии – энергетические уровни. Согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Под воздействием притяжения положительно заряженного атомного ядра электроны стремятся занять ближайшие к ядру уровни с минимальным значением энергии. В результате нижние энергетические уровни оказываются заполненными электронами, а верхние уровни – свободными. Электрон в атоме может перейти с одного энергетического уровня W1 на другой энергетический уровень W2, но только «скачком» и только на свободный уровень. Для этого электрону необходимо сообщить дополнительную порцию или квант энергии: W = W2 – W1. Если электрон перемещается под действием электрического по¬ля, т. е. проходит электрический ток, то при этом изменяется энер¬гия W электрона. На энергетической диаграмме это отразится в перемещении электрона на близлежащие свободные энергетиче¬ские уровни. Если таких уровней нет, то электрон не сможет изме¬нить свою энергию, т. е. не сможет принять участие в создании электропроводности. При образовании кристаллической решетки из атомов элек¬троны, находящиеся на внешних валентных оболочках отдельных атомов, сближаются настолько, что на одном энергетическом уровне должно было бы оказаться более двух электронов. Но этого не про¬исходит, и принцип Паули не нарушается вследствие того, что от¬дельные энергетические уровни расщепляются на N подуровней, образуя энергетические зоны. При¬чем расщепляются как за¬полненные, так и свобод¬ные энергетические уров¬ни. При этом образуется соответственно заполнен¬ная электронами валент¬ная зона и свободная зона проводимости. В кристаллических ре¬шетках различных ве¬ществ валентная зона и зона проводимости могут примыкать вплотную друг к другу, могут даже перекрываться, а могут и значительно отстоять друг от друга. Энергетическую щель между валентной зо¬ной и зоной проводимости называют запрещенной зоной W. В зависимости от ве¬личины запрещенной зоны резко изменяются многие параметры веществ и прежде всего электропро¬водность. Если величина W равна или близка к нулю, то электроны за счет собственной тепловой энергии могут перейти на свободные уровни и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относят к проводникам. Типичными, проводниками являются металлы. Если величина запрещенной зоны вещества превышает несколь¬ко электронвольт (1эВ – энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками энергетического поля с разностью потенциалов 1 В), то для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости придется затратить значительную энергию, способную разрушить структуру вещества. Такие вещества называ¬ют диэлектриками. Они имеют высокое удель¬ное сопротивление и используются, например, в качестве электро¬изоляционных материалов. Промежуточное положение по ширине запрещенной зоны занимают полупроводники. К ним относят вещества, у которых W = 0,1 – 3 эВ (кремний, германий и др.). В полупро¬водниках можно довольно легко за счет внешней энергии перебра¬сывать электроны из валентной зоны в зону проводимости, управляя величиной проводимости. По характеру взаимодействия с внешним магнитным полем все электротехнические материалы можно разделить на немагнитные и магнитные. Немагнитные материалы практически не взаимодействуют с магнитным полем. К магнитным материалам относят магнетики, активно взаимодействующие с магнитным полем. В их число входят железо, пи¬ксель, кобальт, сплавы и оксиды этих металлов.