Электротехнические материалы

1. Классификация электротехнических материалов.

Все тела, в зависимости от их электрических свойств, могут быть отнесены к группе диэлектриков, проводников или полупроводни­ков. Различие между проводниками, полупроводниками и диэлект­риками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетиче­ских диаграмм зонной теории твердых тел [3].

Энер­гетические уровни.

Схема расположения.

Исследование спектров излучения различных веществ в газо­образном состоянии, когда атомы отстоят друг от друга на больших расстояниях, показывает, что для атомов каждого вещества харак­терны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о на­личии определенных энерге­тических состояний (уровней) для разных атомов. Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невоз­бужденном состоянии атома, на других электроны могут находиться только тогда, когда атом подверг­нется внешнему энергетическому воздействию; при этом он возбуж­ден. 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 характери­зовать 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 элект­ронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдель­ных 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 обыч­ных условиях не наблюдается. Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внеш­них энергетических воздействий. У металлических проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает кзоне 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 свобод­ными, электроны смогут перемещаться и под действием электриче­ского поля, создавая электронную электропроводность полупровод­ника.

Энергетическое отличие металлических проводников от полупроводников и диэлектриков

Рис. 3.2.

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 дви­гаться в направлении поля как эквивалентный положительный за­ряд.

Процесс перехода электронов в свободное состояние сопрово­ждается и обратным явлением, т. е. возвратом электронов в нор­мальное состояние. В результате в веществе наступает равновесие, т. е. количество электронов, переходящих в свободную зону, ста­новится равным количеству электронов, возвращающихся обратно в нормальное состояние.

С повышением температуры число свободных электронов в по­лупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолют­ного нуля — убывает вплоть до нуля.

Таким образом, вещество, представляющее собой диэлектрик при одних температурах, при других, более высоких, может при­обрести 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, пог­лощенная материалом энергия света, энергия потока электронов и ядерных частиц, энергия электрических и магнитных полей, меха­ническая энергия и т. д.

Увеличение числа свободных электронов или дырок в веществе под воздействием какого-либо вида энергии способствует повышению электропроводности, увеличению тока, появлению электродвижу­щих сил.

Электрические свойства определяются условиями взаимодей­ствия атомов вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Например, углерод в виде алмаза является диэлект­риком, 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 электрического тока могут быть ис­пользованы твердые тела, жидкости, а при соответствующих усло­виях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы. Металлические проводниковые материалы могут быть разделены на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. Металлы с высокой про­водимостью используются для проводов, кабелей, обмоток транс­форматоров, электрических машин и т. д. Металлы и сплавы высо­кого сопротивления применяются в электронагревательных прибо­рах, лампах накаливания,