Электротехническими называются материалы, которые используются в производстве электротехнических изделий, характеризуются определенными свойствами по отношению к электромагнитным полям и применяются в технике с учетом электрофизических свойств.
По поведению в электрическом поле материалы делятся на следующие виды:
- диэлектрики, или электроизоляционные материалы;
- полупроводниковые;
- проводниковые.
Конструкционные материалы – это материалы, при использовании которых основными являются механические свойства, в электротехнических изделиях выполняют вспомогательные функции.
Основными элементарными частицами, из которых состоят все известные вещества (газы, жидкости и твердые тела), являются протоны, нейтроны и электроны. Из протонов и нейтронов состоят ядра атомов. Электроны заполняют оболочки атомов, компенсируя положительный заряд ядра. В зависимости от строения внешних электронных оболочек вещества могут образовываться с помощью различных связей.
Вещества с разными типами связей резко различаются по электрическим и другим свойствам. В зависимости от строения внешних электронных оболочек вещества могут образовываться с помощью различных связей.
Виды химических связей.
Металлическая связь обусловлена взаимодействием положительно заряженных ионов в узлах кристаллической решетки с обобществлёнными валентными электронами (электронным газом).
Рисунок 1 – Строение металлической связи
Ионная связь осуществляется между атомами, которые сильно различаются по величине электроотрицательности.
Рисунок 2 – Строение ионной связи Электрический момент: М = q·l , [Кл·м]
Электроотрицательность (ζ) – способность атома приобретать электроны в результате химического взаимодействия.
Ковалентная связь – химическая связь, образованная обобществлением пары валентных электронных облаков (электронная пара) по одному от каждого атома.
Неполярная ковалентная связь (Н2, O2, N2, Сl2) – объединение атомов в молекулу достигается за счёт обобществления электронов атомов. Связывающие электроны в равной степени принадлежат обоим атомам. На атомах отсутствует заряд.
Рисунок 3 – Строение неполярной ковалентной связи
Полярная ковалентная связь – объединение атомов в молекулу достигается за счёт обобществления электронов атомов и сдвига электронной плотности к атому с большей электроотрицательностью. Электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому, на котором возникает частичный отрицательный заряд. На менее электроотрицательном атоме возникает частичный положительный заряд.
Рисунок 4 – Строение полярной ковалентной связи
Водородная связь – возникает между молекулами, состоящими из атома H (протон), соединённого ковалентной связью с атомом F—, O— или N—. При этом атом Н одной молекулы притягивается к атому F, O или N другой молекулы
Рисунок 5 – Строение водородной связи
Магнитные материалы – материалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств, характеризуются способностью накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию.
По поведению в магнитном поле материалы делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Физической константой, характеризующей материалы в электрическом поле, является удельное сопротивление r, в магнитном поле – магнитная проницаемость µ.
Диэлектрики – это материалы с высоким электрическим сопротивлением (ρ более 107 Ом/м) и способностью поляризоваться в электрическом поле. В электротехнике диэлектрики используются в качестве электроизоляционных материалов. Их назначение – изолировать токонесущие части электрической цепи друг от друга, а также отгородить проводящие части от контакта с человеком. В конденсаторах диэлектрические материалы служат для создания заданной емкости.
Активные диэлектрики – отличаются от обычных диэлектриков (электроизоляционных материалов) тем, что их свойствами можно управлять. Они могут служить для генерации, усилия, модуляции, преобразования электрических сигналов. К ним относятся: материалы для лазеров, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электрооптические и нелинейно оптические материалы, электреты и др.
Полупроводниковые материалы применяются в тех случаях, когда их проводимость g управляется и изменяется под влиянием внешних факторов (напряжение, температура, давление и различных видов излучении). Из этих материалов изготавливают диоды, транзисторы, варисторы, термисторы, фоторезисторы и другие полупроводниковые приборы.
Проводниковые материалы служат в качестве проводников электрического тока. Они обладают малым удельным сопротивлением r. К ним относятся также сверхпроводниковые и криопроводниковые материалы, электрическое сопротивление которых при криогенных температурах весьма мало, и материалы высокого сопротивления, применяемые для изготовления резисторов, нагревательных элементов и др.
Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться, а некоторые из них сохраняют намагниченность и после прекращения действия магнитного поля. Из них изготавливают сердечники катушек индуктивности и трансформаторов, магнитные системы электрических машин, запоминающие устройства, постоянные магниты и т.д.
Аморфные и кристаллические структуры
Твердые материалы по своей структуре могут быть кристаллическими, аморфными и смешанными.
Аморфное материалы характеризуются отсутствием строго упорядоченного расположения атомов. Например, затвердевшие жидкости, образованные за счет понижения температуры.
Кристаллические структуры состоят из кристаллов. Кристаллы – это твердые однородные анизотропные тела, имеющие собственную форму многогранника, которые характеризуются правильным порядком в расположении атомов во всем объеме и состоят из периодически повторяющихся одинаковых элементарных кристаллических ячеек.
Смешанные (аморфно-кристаллические) материалы – это частично закристаллизованные аморфные вещества. Многие полимеры имеют частично кристаллизованные структуры.
Дефекты кристаллической решетки
В решетке идеального кристалла атомы (ионы) располагаются в пространстве упорядоченно и закономерно. В реальных кристаллах существуют различные искажения или нарушения этого идеального расположения частиц, которые обычно называют дефектами кристаллической решетки.
Природа дефектов может быть различной и простираться от микроуровня (электронного, атомного) до дефектов в макрообъемах вещества. Классифицируют дефекты по размерам: точечные, одномерные, двухмерные и трехмерные.
Рисунок 6 – Типы атомных точечных дефектов: 1 — вакансия; 2 — примесный атом в узле решетки; 3 — примесный атом в междоузлии
Классификация электротехнических материалов согласно зонной теории твердого тела
Согласно зонной теории, все вещества классифицируются на диэлектрики, проводники или полупроводники в зависимости от их электрических свойств. Разницу между ними можно показать на энергетических диаграммах зонной теории твердого тела.
Энергия активации (ΔW) – минимальная энергия, необходимая для перевода электрона в зону проводимости.
Рисунок 7 – Энергетические диаграммы по зонной теории материалов