Классификация веществ по электрическим свойствам

Электротехническими материалами называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств. Практически различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических или магнитных полей, так и их совокупностью.

По поведению в магнитном поле материалы подразделяются на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли широкое применение в технике с учетом их магнитных свойств. По поведению в электрическом поле материалы подразделяются на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Рисунок 1 — Энергетические диаграммы диэлектриков (а), полупроводников (б) и проводников (в) при абсолютном нуле с точки зрения зонной теории твердого тела: 1 — заполненная электронами зона, 2 — запрещенная зона, 3 — зона свободных энергетических уровней.

Зона, содержащая энергетические уровни с электронами, имеющими связь с атомами, называется валентная зона (заполненная электронами зона).

Зона, содержащая энергетические уровни, на которых нет и не могут находиться электроны, называется запрещенной зоной.

Зона, содержащая энергетические уровни со свободными электронами (не имеющих связи с атомом), называется свободная зона (зона свободных энергетических уровней).

Диэлектриками будут такие материалы, у которых 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.

Проводниками будут материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею.

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

Таким образом, электропроводность веществ при различных температурах может быть существенно различной. Процесс термогенерации — это рост числа электронов, с повышением температуры переходящих из валентной зоны в свободную.

Процесс перехода электрона в свободное состояние сопровождается обратным явлением, т. е. возвратом электронов в валентную зону. Этот процесс называется рекомбинация. В результате при постоянной температуре в веществе наступает равновесие, т. е. число электронов переходящих в свободную зону равно числу электронов возвращающихся в валентную зону.

Энергию, необходимую для перехода электронов в свободное состояние или для образования дырок (освободившееся после ухода электрона из валентной зоны вакантное место), может доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии: свет, поток электронов и ядерных частиц, электронные и магнитные поля, механические воздействия и т. д.

Электронные свойства определяются условиями взаимодействия атома вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Например, углеводород в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита обладает большой проводимостью.

Примеси и дефекты кристаллической решетки сильно влияют на электрические свойства твердых тел.