Классификация электротехнических материалов

Функции, которые выполняют материалы, разнообразны: обеспечение протекания тока (в проводниковых материалах), сохранение определенной формы при механических нагрузках (в конструкционных материалах), обеспечение изоляции (в диэлектрических материалах), превращение электрической энергии в тепловую (в резистивных материалах). Обычно материал выполняет несколько функций. Например, диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, то есть является конструкционным материалом.

Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов высоковольтных линий (ВЛ) в условиях внешних атмосферных воздействий позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.

Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом.

Таким образом, электротехнические материалы (ЭТМ) являются одним из определяющих факторов технико-экономических показателей любой системы электроснабжения.

Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная по сравнению с другими электротехническими материалами электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Однако для большинства металлов температура плавления высока, и только ртуть, имеющая температуру плавления около минус 39 °С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах.

Газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Важнейшими для электротехники свойствами проводниковых материалов являются их электро- и теплопроводность, а также способность генерации термоЭДС.

Полупроводниковыми называют материалы, которые являются по своей удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является исключительно сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или других дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т. п.).

К полупроводникам относится большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков, и находится в диапазоне от 10-4 до 1010 Ом•см. В энергетике полупроводники напрямую мало используются, но электронные компоненты на основе полупроводников используются достаточно широко. Это любая электроника на станциях, подстанциях, диспетчерских управлениях, службах и т.п. Выпрямители, усилители, генераторы, преобразователи. Также из полупроводников на основе карбида кремния изготавливают нелинейные ограничители перенапряжений в линиях электропередачи (ОПН).

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла.

Магнитными называют материалы, предназначенные для работы в магнитном поле при непосредственном взаимодействии с этим полем. Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные. К слабомагнитным относят диамагнетики и парамагнетики. К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми.

Композиционные материалы – это материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛАХ

Материалы, используемые в электротехнике, делятся на следующие группы:

К основным свойствам электротехнических материалов (ЭТМ) относятся электрические, магнитные, оптические, теплофизические и механические свойства.

Все эти свойства зависят как от внутренних, так и от внешних факторов. К внутренним факторам относятся состав и структура данного материала, а к внешним – условия его эксплуатации (температура, давление, влажность, наличие электрического или магнитного поля и т.п.).

Существует два основных способа управления свойствами материалов:

1.1 Классификация электротехнических материалов

Для классификации ЭТМ используются различные признаки. Рассмотрим важнейшие из них.

► По поведению в электрическом поле

Основное свойство вещества по отношению к электрическому полю – электропроводность, т.е. способность проводить электрический ток под воздействием постоянного электрического поля. Количественной оценкой электропроводности является удельная электрическая проводимость
γ [См/м] или удельное электрическое сопротивление ρ [Ом∙м]:

По значению удельного электрического сопротивления ρ ЭТМ делятся (рисунок 1.1):

Рисунок 1.1 – Классификация ЭТМ по значению удельного электрического сопротивления

В зависимости от структуры, внешних условий и агрегатного состояния порядок значений удельного электрического сопротивления даже для одного вещества может различаться весьма существенно. Например, углерод может существовать в модификации графита, являясь при этом проводником, и алмаза – диэлектрика; такой типичный при нормальных условиях полупроводник, как германий, при воздействии очень высоких давлений становится проводником, а очень низких температур – диэлектриком.

Необходимо отметить, что само по себе значение ρ не всегда позволяет однозначно отнести материал к одной из трех перечисленных групп. Различие между ними заключается в следующем:

Таким образом,качественное различие состоит в том, что для проводников проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков – возбужденным.

Материалы с различным значением ρ имеют и различное назначение.

Проводниковые материалы, в полном соответствии с названием, служат для проведения электрического тока (из них изготавливаются провода, резисторы, нагревательные элементы и т.п.).

Полупроводниковые материалы используются для получения проводимости, управляемой внешними факторами, например, электрическим полем, освещенностью, температурой и т.п. Из них изготавливаются диоды, транзисторы, фоторезисторы и томуподобные элементы.

Диэлектрики используются в качестве электроизоляционных материалов, т.е. их назначение – препятствовать прохождению электрического тока. Активные диэлектрики, в отличие от обычных, используются для генерации и преобразования электрических сигналов – это материалы для лазеров, сегнето-, пьезо-, пироэлектриков и т.п.

► По поведению в магнитном поле

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент, или, в пересчете на единицу объема, намагниченность J_м, которая связана с напряженностью Н внешнего поля соотношением

где магнитная восприимчивость, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле.

С ней связана еще одна характеристика магнитных свойств вещества – относительная магнитная проницаемость µ_r, показывающая, во сколько раз магнитная индукция поля в данном веществе больше, чем в вакууме:

Различное поведение материалов во внешнем магнитном поле связано с различным характером внутреннего магнитного упорядочения. Все существующие в природе вещества в зависимости от этого характера делятся на две большие группы – слабомагнитные вещества и сильномагнитные. К слабомагнитным веществам относятся диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнетики, а к сильномагнитным – ферромагнетики и ферримагнетики (ферриты). C точки зрения количественных характеристик, они различаются значением µ_r (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Классификация ЭТМ по поведению в магнитном поле

Ферро– и ферримагнетики – это вещества с очень высоким (до 10 6 ) значением магнитной восприимчивости, которая сильно зависит от напряженности внешнего магнитного поля и от температуры. Их важнейшая особенность – способность намагничиваться до состояния насыщения в относительно слабых магнитных полях; некоторые материалы сохраняют намагниченность и после снятия внешнего поля. К ним относятся, например, железо, никель, кобальт, сплавы на их основе, ферриты различного состава и т.д. Эти материалы используются для изготовления магнитопроводов, трансформаторов, запоминающих устройств и т.п.

► По агрегатному состоянию

Агрегатное состояние – состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими.

По этому признаку все материалы делятся на четыре группы:

Агрегатное состояние вещества влияет на главную характеристику ЭТМ – их способность проводить (или не проводить) электрический ток. Так, твердые и жидкие металлы являются проводниками, но пары металлов – диэлектрики.

► По виду химической связи

Под химической связью понимается взаимодействие атомов, обусловливающее их соединение в молекулы и кристаллы. Химическая связь имеет в основном электромагнитный характер; при ее образовании происходит перераспределение электронных плотностей, первоначально принадлежавших разным атомам. По характеру этого распределения химические связи делятся на ионные, ковалентные (или атомные), металлические и молекулярные. Материалы, полученные из веществ с разными связями, сильно различаются по своим электрическим и другим свойствам.

Ионная связь обусловлена кулоновским притяжением противоположно заряженных ионов (рисунок 1.3). Такие связи наиболее характерны для неорганических диэлектриков, имеющих в своем составе ионы противоположных знаков, например для галоидных солей щелочных металлов типа NaCl. Необходимым условием возникновения является согласованное движение валентных электронов в соседних молекулах. В любой момент времени электроны должны быть максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным ядрам.

Рисунок 1.3 – Образование ионной связи

Ковалентная связь (рисунок 1.4) возникает между атомами путем образования общих пар валентных электронов (по одному от каждого атома). Эта связь характерна для кристаллов германия, кремния, алмаза, двухатомных газов (Н₂, О₂, Cl₂), а также молекул многих органических соединений, например, полиэтилена (С₂Н₄)_n (хотя связи между отдельными молекулами полимеров молекулярные). В отличие от ионной, ковалентная связь имеет направленный характер: она образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая плотность объединенных электронов. Поэтому вещества с ковалентной связью обычно твердые, но хрупкие, имеют высокую температуру плавления.

Рисунок 1.4 – Образование ковалентной связи

Металлическая связь – связь положительно заряженных ионов металла, образуемая оторвавшимися от атомов коллективизированными валентными электронами (рисунок 1.5). Эти электроны, так называемый «электронный газ», оказывают цементирующее действие на кристаллическую структуру металлов и приводят к их высокой тепло- и электропроводности, а ненаправленный характер связи обуславливает высокую пластичность металлов. Отличия от ковалентной связи заключаются в том, что, во-первых, в обобществлении электронов участвуют все атомы, и, во-вторых, обобществленные электроны не локализуются около своих атомов, а перемещаются по всему объему.

Рисунок 1.5 – Образование металлической связи

Молекулярная связь (рисунок 1.6) существует между отдельными молекулами за счет электростатического притяжения имеющихся в них зарядов противоположных знаков (сил Ван-дер-Ваальса). Эти связи удерживают вместе молекулы с ковалентным характером внутримолекулярного взаимодействия во многих органических соединениях – полимерах типа полиэтилена и т.п. Ввиду слабости молекулярных связей (они примерно на 2 порядка слабее ионных и ковалентных) эти вещества легко разрушаются при тепловом движении молекул и поэтому имеют низкие температуры плавления. Молекулярная связь является наиболее универсальной, она возникает между любыми частицами.

Особым видом молекулярной связи является водородная связь, осуществляемая через ионы водорода (протон), расположенный между двумя ионами соседних молекул; она присутствует, например, в воде.

Рисунок 1.6 – Образование молекулярной связи

Этот признак используется для классификации твердых материалов. В соответствии с ним все вещества делятся на четыре группы:

Ÿ- монокристаллы – однородные анизотропные тела, характеризующиеся правильным порядком расположения атомов во всем объеме и состоящие из периодически повторяющихся одинаковых кристаллических ячеек. Электрические и магнитные свойства таких веществ различны и зависят от типа кристалла;

Ÿ- поликристаллы – тела, которые состоят из мелких сросшихся друг с другом кристаллических зерен (кристаллитов), хаотично ориентированных в разных направлениях; свойства, как правило, изотропны. К поликристаллическим телам относятся металлы, многие керамические материалы;

Ÿ- аморфные материалы – материалы, в которых упорядоченность вообще отсутствует. Аморфные тела – это затвердевшие жидкости, которые образуются с понижением температуры при сравнительно быстром увеличении вязкости, затрудняющем перемещение молекул, необходимое для формирования и роста кристаллов. Характерная особенность аморфных веществ – отсутствие определенной температуры плавления, вместо нее есть некоторый интервал размягчения. Примером могут служить стекла, смолы, воск;

Ÿ- смешанные (аморфно-кристаллические) материалы – частично закристаллизованные аморфные вещества. Такую структуру имеют многие полимеры, ситалл.

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Источник

Классификация материалов по электрическим и магнитным свойствам

Электрические свойства

По электрическим свойствам все материалы можно разделить на диэлектрики, проводники и полупроводники. Главной количественной характеристикой этих материалов является удельное сопротивление (проводимость). При нормальной температуре (20 °C) этот показатель лежит в пределах 10 8 — 10 18 Омм для диэлектриков; IO 8 —10′ 5 Омм для проводников; 10′ 5 —10 +8 Ом м для полупроводников. При низких температурах (

0 °К) для металлов возможно особое сверхпроводящее состояние, когда удельное сопротивление близко к нулю.

Современная физика объясняет механизм проводимости твердого тела наличием свободных электронов, которые под воздействием внешнего электрического поля приобретают направленное движение — электрический ток.

Механизм проводимости описывается зонной теорией, согласно которой электрическое состояние электронов определяется не только взаимодействием с ядром своего атома, но и электрическим полем кристаллической решетки, взаимодействием с другими атомами. В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра по определенным орбитам, каждой из которых соответствует определенное количество энергии, т. е. строго определенный энергетический уровень. На каждой орбите, согласно принципу Паули, может находиться не более двух электронов (рис 1.6, а).

Под воздействием положительного заряда ядра электроны стремятся занять ближайшие к ядру уровни с минимальным значением энергии. Верхние уровни в этом случае могут быть свободными.

В кристаллической решетке твердого тела, состоящей из нескольких атомов, смещаются отдельные энергетические уровни (расщепляются на подуровни), а также снижаются потенциальные барьеры между электронами. В результате образуется энергетическая зона. Количество уровней в зоне определяется количеством атомов в кристалле, а расстояние между соседними уровнями составляет приблизительно 10 22 эВ.

Обменное взаимодействие и связанное с ним расщепление уровней электронов больше всего влияют на энергетическое состояние внешних (валентных) электронов атома. Зона, заполненная связанными электронами, называется валентной (рис 1.6, б).

Рис 1.6. Расположение энергетических уровней: а — уединенного электрона; б — твердого тела;

1 — валентная зона; 2 — запрещенная зона; 3 — зона проводимости

В результате внешнего энергетического воздействия валентные электроны могут терять связь с ядром атома и становиться свободными. Такой процесс называется переходом электрона в зону проводимости.

У диэлектриков и полупроводников между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона, т. е. такие электрические уровни, которые электроны занимать не могут.

Ширина запрещенной зоны А ИИопределяется по формуле

где W_c — нижний энергетический уровень зоны проводимости, W_b — верхний энергетический уровень валентной зоны.

У диэлектрических материалов ширина запрещенной зоны велика: AJF > 3 эВ, а у полупроводниковых материалов АРГ= 0,14-0,3 эВ.

У проводников запрещенная зона отсутствует, а валентная вплотную примыкает к зоне проводимости или перекрывает ее, образуя гибридную зону, в которой валентные электроны могут переходить с уровней валентной зоны на свободные уровни зоны проводимости под влиянием слабой напряженности электрического поля.

С точки зрения зонной теории, между диэлектриками и полупроводниками есть только количественные различия (величина ЛИО.

При снижении температуры проводимость диэлектриков и полупроводников уменьшается и при Т= 0 равна нулю.

Что касается проводников, то вследствие отсутствия запрещенной зоны электроны в металле свободны и под воздействием слабого электрического поля могут перемещаться, создавая электронную проводимость. При снижении температуры проводимость металлов возрастает и при Т « 0 является максимальной.

В полупроводниковых материалах переход электронов в свободное состояние (из валентной зоны в зону проводимости) может осуществляться за счет внешнего воздействия (нагрева, излучения, электромагнитного поля и др.), т. е. можно изменить проводимость и на основе этого свойства создать управляемые приборы.

Если в результате внешнего энергетического воздействия электроны в проводнике перешли в зону проводимости, то в валентной зоне образуется незанятая связь — «электрическая дырка». Дырка может быть заполнена другими электронами. При этом под воздействием электрического поля она будет перемещаться в направлении поля, как эквивалентный положительный заряд.

Переход электронов в свободное состояния сопровождается и обратным процессом, т. е. возвратом в нормальное состояние, в результате чего в веществе наступает равновесие.

Электрические свойства вещества определяются условиями взаимодействия атомов, поэтому одни и те же вещества могут быть как проводниками, так и диэлектриками. Например, углерод в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита — проводником.

Электрические свойства твердых тел в значительной степени зависят от дефектов кристаллической решетки.

Магнитные свойства

Все вещества в природе обладают определенными магнитными свойствами и взаимодействуют с внешним магнитным полем. В зависимости от природы микроносителей магнетизма и характера взаимодействия с внешним магнитным полем их можно разделить на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики).

Основной характеристикой магнитных свойств вещества является относительная магнитная проницаемость ц_с.

К диамагнетикам относятся вещества, у которых 1 и также не зависит от напряженности внешнего магнитного поля (кислород, окись азота, ряд металлов — щелочные металлы, титан, цирконий).

У магнитных материалов ц_с »1 и существенно зависит от напряженности внешнего магнитного поля (железо, ни кель, кобальт и их сплавы, а также материалы, полученные на основе соединений окиси железа с окисями других металлов). Более подробно их характеристики и свойства рассмотрены в разделе 5.

Источник

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВ

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Все вещества состоят из атомов.

Атом представляет собой систему, состоящую из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Электроны притягиваются к ядру и отталкиваются друг от друга. Расположенные ближе к ядру электроны подвержены большему притяжению, они ослабляют притяжение внешних электронов, которые находятся на большем расстоянии от ядра. Внешние электроны могут отрываться от одного атома и присоединяться к другому атому, изменяя число его внешних электронов. Такие электроны называются валентными. У разных веществ атомы содержат разное число валентных электронов.

Рис. 1.1. Ковалентная (атомная) связь в молекуле водорода:

Атом, потерявший один или несколько электронов, становится положительно заряженным. Атом, который присоединил к себе свободные электроны, становится отрицательно заряженным. Образовавшиеся таким образом положительные и отрицательные частицы называются ионами.

Из атомов строятся молекулы. Связи, благодаря которым происходит объединение атомов в молекулы, называются химическими.

Способность атомов вступать в соединения с атомами других веществ и образовывать молекулы определяет химические свойства вещества.

Молекула является наименьшей частицей вещества, которая сохраняет его химические свойства.

Химические связи между атомами вещества делят на ковалентные (атомные), ионные, металлические и молекулярные.

Ковалентные связи возникают между атомами за счет образования устойчивых пар валентных электронов разных атомов (рис. 1.1).

Эти пары являются общими для атомов, которые входят в молекулу. Если двухатомная молекула состоит из атомов одного элемента (Н₂, Сl₂, N₂), то электронная пара в одинаковой степени принадлежит обоим атомам. В таком случае молекулу и ковалентную связь называют неполярными и (или) нейтральными. В неполярных молекулах центры положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Если у многоатомных молекул заряды расположены симметрично, то они неполярны, при несимметричном расположении атомов молекулы полярны (рис. 1.2).

Ионные связи обусловлены силами электростатического притяжения между положительными и отрицательными ионами.

Молекулы вещества с полярной связью полярны. Не имеют направленности. Соединения с ионной связью обладают разными свойствами, которые характерны для типичных металлов и неметаллов. Такие связи наиболее характерны для неорганических диэлектриков, которые имеют в своем составе ионы противоположных знаков (большинство солей и некоторые оксиды, например, ZnO, CdO, NiO, CuO2).

Ионные связи менее прочны, чем ковалентные, поэтому соединения, образованные ионной связью, уступают веществам с ковалентной связью по механической прочности и химической стойкости.

Металлические связи образуются в металлах и обусловлены особенностями поведения внешних (валентных) электронов. Атомы металлов обладают способностью отдавать внешние (валентные) электроны, превращаясь в положительный ион, или присоединять их вновь, превращаясь снова в нейтральный атом.

Внешние электроны, которые покидают атомы, становясь свободными, называются коллективизированными.

В результате металл представляет собой систему, состоящую из положительных ионов, которые находятся в среде коллективизированных электронов.

Рис.1.3. Металл в представлении теории электронного газа

В этой системе одновременно имеют место притяжение между ионами и свободными электронами и ковалентная связь между нейтральными молекулами. Наличие этих связей определяет монолитность и прочность металлов.

Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью. Металлическая связь в отличие от ковалентной не имеет направленного характера, что придает металлам высокую пластичность. Большинство металлов имеют высокие температуры плавления и кипения.

Особым видом молекулярной связи является водородная связь, которая образуется через ион водорода (протон), расположенный между двумя ионами соседних молекул. Водородной связью соединяются молекулы воды и некоторых органических соединений.

К кристаллическим веществам относятся все металлы и металлические сплавы.

Кристалл состоит из множества сопряженных друг с другом элементарных кристаллических ячеек. В элементарной кристаллической ячейке содержится наименьшее число атомов.

Рис. 1.4.Элементарная ячейка кубической решетки

Для описания структуры кристаллических тел пользуются понятием пространственной кристаллической решетки, которая представляет собой пространственную сетку, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

В узлах ковалентных (атомных) решеток находятся нейтральные атомы, которые связаны друг с другом ковалентной связью.

В узлах ионных решеток расположены чередуясь положительные и отрицательные ионы, которые связаны друг с другом ионной связью.

В узлах металлических решеток расположены положительные ионы, в промежутках между которыми находятся свободные электроны. Они образуют решетку с помощью металлических связей.

В узлах молекулярных решеток находятся молекулы. Такие решетки образуются за счет ковалентной и ионной связей.

Каждое вещество обычно образует кристаллы определенной формы. Порядок взаимного расположения атомов в кристалле может быть различным.

Рис. 1.5. Основные типы кристаллических решеток металлов:

Стремление атомов металлов к сближению и уплотнению приводит к образованию более сложных типов решеток. Наиболее распространенными типами кристаллических решеток являются:

кубическая объемно центрированная (см. рис. 1.5, а), ее имеют -железо, хром, вольфрам, ванадий;

кубическая гранецентрированная (см. рис. 1.5, б), ее имеют -железо, медь, алюминий;

гексагональная (см. рис. 1.5, в), ее имеют бериллий, кадмий, магний и другие металлы.

Наиболее плотно и компактно размещены атомы гексагональной и кубической гранецентрированной решеток.

Упорядоченное расположение атомов в кристаллах приводит к различному расположению и плотности атомов в разных направ­лениях. Этим обусловлено различие свойств металлов в разных на­правлениях.

Изменение свойств кристаллов (металлов) в зависимости от направления называют анизотропией.

Однако промышленные сплавы обычно состоят из большого числа кристаллов, кристаллические решетки которых по-разному ориентированы в пространстве, поэтому свойства сплавов не зависят от направления.

Все кристаллические вещества при нагревании сохраняют твердое состояние до определенной температуры. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, совершают непрерывные колебательные движения. Чем выше температура вещества, тем больше амплитуда этих колебаний. При достижении определенной температуры амплитуда колебаний атомов настолько увеличивается, что происходит разрушение кристаллической решетки. Атомы переходят в хаотическое состояние, а вещество превращается из твердого в жидкое. Температура, при которой происходит фазовое превращение твердого вещества в жидкое, называется температурой плавления Т_пл.

Обратный переход кристаллических веществ из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. Температура, при которой происходит фазовое превращение жидких веществ в кристаллические, называется температурой кристаллизации Т_к.

Дефекты кристалических решеток

Строение металлов, когда атомы образуют геометрически правильную кристаллическую структуру, может быть только в идеальном случае. В реальных условиях кристаллы имеют большое число дефектов, наличие которых оказывает существенное влияние на свойства металлов и сплавов.

Основными дефектами кристаллических решеток являются точечные, линейные, поверхностные и объемные (трехмерные) несовершенства.

Точечные несовершенства появляются в результате образования вакансий (атомных дырок) или внедрения атомов в междуузлие (рис. 1.6).

Рис1.6. Точечные несовершенства:

1 – вакансия; 2 – дислоцированный атом; 3 – примесный атом

Атомы металлов находятся в колебательном движении относительно положения равновесия. При нагревании амплитуда колебаний атомов возрастает. Большинство атомов в данной кристаллической решетке обладает одинаковой средней энергией, поэтому амплитуда их колебаний при данной температуре одинакова, но отдельные атомы имеют энергию, значительно превышающую среднюю, и амплитуда колебаний их также больше среднего значения. Такие атомы могут перемещаться из одного места в другое и выходить из узла в междуузлие. Атомы, вышедшие из узла решетки, называются дислоцированными, а места, где находились атомы, остаются в решетке незаполненными и называются вакансиями.

Причинами точечных несовершенств являются условия кристаллизации, наличие примесей в металлах и сплавах, неравномерное распределение энергии между атомами кристаллической решетки.

Точечные дефекты влияют на диффузионные процессы. Например, при изготовлении полупроводниковых интегральных схем нагревание до температуры плавления приводит к увеличению вакансий на 2%.

Линейные несовершенства представляют собой изменения структуры, протяженность которых в одном измерении гораздо больше, чем в двух других. Такие несовершенства называют дислокациями. Появление дислокаций вызвано воздействиями на металл напряжений разного происхождения. При воздействии сосредоточенной нагрузки на некоторый участок происходит перераспределение напряжений в образце. Этот процесс сопровождается медленным сдвигом атомов. Граница между сдвинутыми участками и сохранившейся без изменения областью является дислокацией (рис. 1.7).

Дислокации бывают краевыми, винтовыми и смешанными.

Рис. 1.7. Линейные дислокации

Поверхностные несовершенства характеризуются значительными изменениями в двух измерениях. Примером поверхностного несовершенства является граница между кристаллами в реальных сплавах.

Кристалл состоит из блоков, которые по-разному ориентируются в пределах этого кристалла, образуя мозаичную структуру. На границах повернутых друг относительно друга блоков возникают напряжения, приводящие к искажению кристаллической решетки (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Поверхностные несовершенста (мозаичная структура кристалла)

Объемные несовершенства кристалла имеют существенные размеры во всех трех измерениях. К объемным дефектам относятся пустоты, включения отдельных кристаллических зерен или кристаллической модификации.

По структуре кристаллические материалы бывают монокристаллическими и поликристаллическими.

Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся между собой мелких кристаллических зерен (кристаллитов), которые хаотически ориентированы в разных направлениях. За счет усреднения свойств отдельных кристаллов свойства тела в целом не зависят от направления, и поликристаллические материалы обычно изотропны. Однако с помощью специальной обработки (холодная прокатка с последующим отжигом, намагничивание, поляризация и т.д.) материал становится анизотропным. Материалы с искусственно созданной анизотропией называют текстурами.

К поликристаллическим материалам относятся металлы и многие керамические материалы.

В аморфных веществах атомы и молекулы расположены беспорядочно. В отличие от кристаллических аморфные вещества не имеют строго определенной температуры перехода из твердого состояния в жидкое. Этот переход осуществляется в некотором диапазоне температур. При понижении температуры у аморфных материалов, находящихся в жидком состоянии, происходит быстрое повышение вязкости, которое затрудняет перемещение молекул, необходимое для формирования и роста кристаллов.

Свойства аморфных тел не зависят от выбранного направления, так как аморфные тела изотропны. Например, при охлаждении расплавленного кристалла кварца образуется так называемый плавленный кварц, свойства которого одинаковы по всем направлениям и при этом не отличаются от свойств кристаллического кварца.

Аморфные вещества делятся на две группы:

простые аморфные, к которым относятся низкомолекулярные жидкости, неорганические стекла, плавленный кварц и др.;

высокополимерные соединения, к которым относятся каучуки, резины, органические стекла, смолы.

Некоторые вещества могут находиться в кристаллическом и аморфном состояниях. Аморфное состояние вещества менее устойчиво, чем кристаллическое, поэтому возможен самопроизвольный переход вещества из аморфного состояния в кристаллическое. Примером такого превращения служит расстекловывание, в процессе которого происходит самопроизвольная кристаллизация стекла при повышенных температурах или давлении. В связи с образованием мелких кристалов стекло меняет свои оптические свойства и превращается в аморфно-кристаллический материал, называемый ситаллом.

Аморфно-кристаллическое состояние свойственно оксиду кремния, который встречается в природе в виде кристаллов кварца, а также в аморфном состоянии в виде минерала опал. В определенном интервале температур в термодинамически устойчивом состоянии, которое характерно для аморфно-кристаллических веществ, находятся жидкие кристаллы.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВ

По назначению материалы, используемые в различных областях электроники, условно подразделяют на конструкционные и электротехнические.

Конструкционные материалы применяют для изготовления несущих конструкций, а также вспомогательных деталей и элементов радиоприборов, работающих в условиях воздействия механических нагрузок.

Электротехнические материалы находят применение в электротехнике, электронике и радиоэлектронике. Применение этих материалов в обусловлено прежде всего их электрическими и магнитными свойствами.

2) по электрическим свойствам

В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации на электротехнические материалы воздействуют электрическое и магнитное поля в отдельности и совместно. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на

Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел.

Сущность зонной теории электропроводности твердых тел

Электрон может скачкообразно перейти с нижнего энергетического уровня W₁ на другой свободный уровень W₂ (рис. 2.1). Для этого электрону необходимо сообщить дополнительную энергию . Если свободных уровней в атоме нет, то электрон не может изменить свою энергию, поэтому не участвует в создании электропроводности.

В кристаллической решетке, состоящей из нескольких атомов, отдельные энергетические уровни расщепляются на подуровни, которые образуют энергетические зоны (см. рис. 2.1). При этом расщепляются свободные и заполненные энергетические уровни.

Зона, заполненная электронами, называется валентной. Верхний уровень валентной зоны (потолок) обозначается W_v.

Свободная зона называется зоной проводимости. Нижний уровень зоны проводимости (дно) обозначается W_c.

Промежуток между валентной зоной и зоной проводимости называют запретной зоной . Значение запретной зоны существенно влияет на свойства материалов.

Рис. 2.1. Диаграмма энергетических уровней изолированного атома (1) и твердого тела (2)

Диэлектрики имеют высокое удельное электрическое сопротивление. К диэлектрическим материалам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением более 10 7 Омм. Благодаря высокому удельному электрическому сопротивлению их используют в качестве электроизоляционных материалов.

Рис.2.2. Диаграмма энергетических уровней для проводников, полупроводников и диэлектриков

Рис.2.3. Сопротивления электротехнических материалов

Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, характеризующая способность материала проводить электрический ток под воздействием постоянного электрического поля, т. е. поля, напряжение которого не меняется во времени.

Электропроводность характеризуется удельной электрической проводимостью и удельным электрическим сопротивлением :

Значения удельной электрической проводимости и удельного электрического сопротивления у разных материалов существенно различаются. В сверхпроводящем состоянии удельное электрическое сопротивление материалов равно нулю, а у разреженных газов стремится к бесконечности.

3) по магнитным свойствам

Все материалы, находясь в магнитном поле, обладают определенными магнитными свойствами, которые обусловлены внутренними формами движения электрических зарядов.

По характеру взаимодействия с внешним магнитным полем все электрооматериалы подразделяются на немагнитные и магнитные.

Немагнитные материалы не взаимодействуют с магнитным полем, т.е. не приобретают магнитных свойств при воздействии на них магнитного поля (диамагнтики).

Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться.

В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра с определенным орбитальным моментом. Одновременно электроны вращаются вокруг своих осей со спиновыми магнитными моментами. Орбитальные и спиновые магнитные моменты, суммируясь, образуют магнитный момент атома. Магнитные свойства атома определяются в основном магнитными свойствами электрона, так как магнитный момент электронной оболочки атома приблизительно в 1000 раз больше магнитного момента атомного ядра.

Так как электроны с правым и левым вращениями имеют различное направление магнитных моментов, то суммарный магнитный момент атома может быть равен нулю или отличен от него.

Материалы с разной электронной структурой атомов обладают разными магнитными свойствами.

По силе взаимодействия с магнитным полем все материалы подразделяют на

1) слабомагнитные (диамагнетики, парамагнетики)

2) сильномагнитные (ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики).

Внешне диамагнетизм проявляется в том, что диамагнетик “выталкивается” из неоднородного магнитного поля.

К диамагнетикам относят большинство органических соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.

Парамагнетики характеризуются тем, что магнитные моменты отдельных атомов парамагнетиков ориентированы хаотично и в объеме твердого тела скомпенсированы. При помещении этих материалов в магнитное поле происходит ориентация незначительного числа магнитных моментов атомов и.усиление внешнего поля внутри парамагнетика. Это является следствием совпадения направления намагниченности парамагнетиков с направлением внешнего поля. После снятия внешнего магнитного поля парамагнетики сохраняют небольшую намагниченность.

К парамагнетикам относят алюминий, платину и др.

Сильномагнитные материалы обладают способностью к значительному изменению намагниченности под действием внешнего поля и характеризуются магнитной восприимчивостью k_M>>1.

К сильномагнитным материалам относятся ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Ферромагнетики характеризуются следующими свойствами:

– способностью переходить из ферромагнитного в парамагнитное состояние при температуре, превышающей температуру Кюри Т_к, т.е. способность терять магнитную восприимчивость на 3. 4 порядка.

Магнитная восприимчивость k_M имеет сложную нелинейную зависимость от температуры и напряженности поля.

Процесс намагничивания ферромагнетика начинается с роста наиболее благоприятно ориентированных доменов. Такими являются домены, у которых направления магнитных моментов близки к направлению напряженности намагничивающего поля. Число этих доменов увеличивается из-за смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. После окончания роста доменов в объеме кристалла намагничивание материала продолжается из-за поворота магнитных моментов доменов. При совпадении направления векторов магнитных моментов доменов с направлением напряженности магнитного поля наступает магнитное насыщение (рис. 2.4). При дальнейшем повышении напряженности внешнего электромагнитного поля намагниченность материала увеличивается незначительно. При снятии внешнего поля векторы доменов поворачиваются в обратном направлении и материал размагничивается, но не полностью.

Рис. 2.2. Схемы ориентирования вектора намагниченности в доменах ферромагнетика:

При намагничивании ферромагнетиков наблюдаются явления анизотропии и магнитострикции.

Рис. 2.3. Диаграммы направления легкого и трудного намагничивания в монокристаллах железа (а), никеля (б) и кобальта (в)

В ненамагниченном образце направления магнитных моментов доменов совпадают с осями легкого намагничивания кристалла и располагаются равновероятно. При попадании образца в электромагнитное поле самым энергетически выгодным направлением является ось легкого намагничивания, составляющая с направлением внешнего поля наименьший угол.

Намагничивание и размагничивание ферромагнетика сопровождается изменением линейных размеров и формы кристалла. Это явление называется магнитострикцией. Оно характерно для всех магнитных материалов.

Магнитострикция материала оценивается константой магнитострикции (магнитострикционная деформация насыщения)

где – относительное изменение линейных размеров образца, м; – первоначальная длина образца, м.

Константа магнитострикции может принимать положительное и отрицательное значения. Ее значение и знак зависят от свойств материала и напряженности намагничивающего поля.

К ферромагнетикам относят железо, никель, кобальт и их сплавы, гадолиний, сплавы хрома и марганца и др.

Антиферромагнетики представляют собой материалы, у которых магнитные моменты соседних атомов равны, но их спины располагаются антипараллельно.

Ферримагнетики во многом подобны ферромагнетикам, но обладают следующими особенностями:

– значительно уступают ферромагнетикам по значению намагниченности насыщения (предельной намагниченности) М_s;

– в ряде случаев имеют аномальную зависимость намагниченности насыщения Ms от температуры с наличием точки компенсации.

Ферримагнетики являются кристаллическими веществами с доменной структурой.

Источник