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 поля, т. е. проходит электрический ток, то при этом изменяется энергия W электрона. На энергетической диаграмме это отразится в перемещении электрона на близлежащие свободные энергетические уровни. Если таких уровней нет, то электрон не сможет изменить свою энергию, т. е. не сможет принять участие в создании электропроводности.

При образовании кристаллической решетки из атомов электроны, находящиеся на внешних валентных оболочках отдельных атомов, сближаются настолько, что на одном энергетическом уровне должно было бы оказаться более двух электронов. Но этого не происходит, и принцип Паули не нарушается вследствие того, что отдельные энергетические уровни расщепляются на N подуровней, образуя энергетические зоны. Причем расщепляются как заполненные, так и свободные энергетические уровни. При этом образуется соответственно заполненная электронами валентная зона и свободная зона проводимости.

В кристаллических решетках различных веществ 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 зоной и зоной проводимости называют запрещенной зоной? W.

В зависимости от величины запрещенной зоны резко изменяются многие параметры веществ и прежде всего электропроводность. 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 несколько 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 называют диэлектриками. Они имеют высокое удельное сопротивление и используются, например, в качестве электроизоляционных 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 полупроводниках можно довольно легко за счет внешней энергии перебрасывать 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, пиксель, кобальт, сплавы и оксиды этих металлов.