Классификация веществ по электрическим свойствам

Электротехнические материалы характеризуются определенными свойствами по отношению к электромагнитным полям и применяются в технике с учетом этих свойств.

По магнитным свойствам материалы подразделяются на сильномагнитные и слабомагнитные (немагнитные). Все вещества в зависимости от их электрических свойств делятся на диэлектрики, проводники или полупроводники. Различие между ними наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.

Спектральный анализ отдельных атомов показывает, что для атома 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 уровнях электроны могут находиться только после того, как атом подвергается внешнему энергетическому воздействию и становится возбужденным. Стремясь снова вернуться к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии, и электроны возвращаются на свои прежние уровни, при которых энергия атома минимальна.

Нормальные энергетические уровниобразуют заполненную электронами зону 2(рис.5). Уровни возбужденного состояния атомаобразуют свободную зону энергетических уровней 3. Между заполненной зоной и свободной зоной располагается запрещенная зона 2.

На рис. 5 показаны энергетические диаграммы диэлектрика (а), полупроводника (б) и проводника (в).

Рис.5. Энергетические диаграммы диэлектриков (а), полупроводников (б), проводников (в)

Диэлектриками являются такие материалы, у которых запрещенная зона (следовательно, и необходимая для ее преодоления энергия) настолько велика, что в обычных условиях электроны не могут переходить в свободную зону и электронной электропроводности не наблюдается. Ширина запрещенной зоны диэлектриков W>3 эВ (электрон-вольт).

Полупроводники имеют более узкую запрещенную зону, которая может быть преодолена за счет небольших внешних энергетических воздействий, например температуры, света или других источников энергии. Если подведенная извне энергия будет достаточна для перехода электронов через запрещенную зону, то, став свободным, электроны могут перемещаться и под действием электрического поля, создавать электронную электропроводность полупроводника. С повышением температуры число носителей заряда растет, и сопротивление полупроводников сильно уменьшается.

Проводниками являются материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле могут переходить из заполненной зоны в свободную зону даже при слабых напряженностях электрического поля.

Вернуться к содержанию

ДИЭЛЕКТРИКИ

Диэлектриками называются материалы, основным электрическим свойством которых является способность к электрической поляризации, и в которых возможно существование электрического поля. По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы и активные диэлектрики.

Электроизоляционными являются диэлектрики, применяемые для создания электрической изоляции между различными токоведущими частями электротехнических устройств и электрооборудования. Активными диэлектриками называют материалы, которые изменяют свои параметры под действием различных факторов.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. В особую группу можно выделить твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкими, но в процессе изготовления изоляции отверждаются, и при эксплуатации представляют собой твердые вещества, например, лаки и компаунды.

По химической природе диэлектрики подразделяются на органические, неорганические и элементоорганические.

Органическими называют материалы, содержащие в своем составе углерод. Материалы, в состав которых углерод не входит, называют неорганическими. Однако есть ряд соединений, имеющие в своем составе углерод и относящиеся к неорганическим веществам (например, алмаз, оксиды углерода, сероуглерод, угольная кислота и ее соли). Элементоорганическими называют вещества, в молекулы которых входят атомы элементов не характерных для обычных органических веществ – кремния, магния, алюминия, титана и др. Органические диэлектрики являются более гибкими и эластичными, но менее нагревостойкими, чем неорганические.

Вернуться к содержанию