Экзаменационные вопросы
1.Зонная теория твердого тела.
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 уровни образуют заполненную электронами зону 2 (рис.5). Уровни возбужденного состояния атома образуют 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.
2. Виды химических связей.
Ковалентная связь (рис.1) возникает при обобществлении электронов двумя соседними атомами. Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, являются неполярными. Если же в отдельных молекулах центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называются полярными или дипольными.
Рис.1. Схематическое изображение двухатомной молекулы с ковалентной связью
Полярная молекула характеризуется величиной дипольного момента (μ), который определяется по формуле:
(1)
где q – заряд, l – расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов.
Электрический момент полярной молекулы является векторной величиной. За направление вектора принимают направление от отрицательного заряда к положительному. При отсутствии внешнего электрического поля суммарный дипольный момент равен нулю, так как диполи расположены хаотично. При приложении внешнего электрического поля диполи и их электрические моменты ориентируются по направлению поля.
Второй вид связи – ионная связь – определяется силами притяжения между положительными и отрицательными ионами. Твердые тела ионной структуры характеризуются повышенной механической прочностью и относительно высокой температурой плавления. Вещества ионной структуры могут быть с плотной или неплотной упаковкой ионов (рис.2).
Рис. 2. Ионная структура материалов
Третий вид связи – металлическая связь, которая также приводит к образованию твердых кристаллических тел.
Металлы можно рассматривать как системы, построенные из расположенных в узлах решетки положительно заряженных ионов, находящихся в среде свободных электронов (рис.3).
Притяжение между положительными ионами и электронами является причиной монолитности металлов. Наличием свободных электронов объясняется высокая электропроводность и теплопроводность металлов.
Рис.3. Схематическое изображение металлической связи
Четвертый вид связи – молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса). Такая связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями. Межмолекулярное притяжение в этом случае обусловливается согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах (рис.4).
Рис.4. Схематическое изображение молекулярной связи
В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам. При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказывается сильнее сил взаимного отталкивания электронов внешних орбит. Вещества, имеющие данный вид связи, например, парафин, обладают низкой температурой плавления, свидетельствующей о непрочности их кристаллической решетки.
3. Строение диэлектриков.
Диэлектриками называют вещества, которые плохо проводят электрический ток. При обычных условиях у них практически отсутствуют свободные заряды. В зависимости от химического строения диэлектрики разделяют на три группы.
1). Неполярные диэлектрики — вещества, молекулы (атомы) которых неполярные: в них при отсутствии внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов совпадают. Например, инертные газы (аргон, ксенон) газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул (кислород, водород, азот); некоторые органические жидкости (масло, бензин); из твердых тел — пластмассы.
2). Полярные диэлектрики — вещества, молекулы которых полярны: у них в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Примером полярного диэлектрика является вода.
Молекулы воды, как и других полярных диэлектриков, представляют собой микроскопические электрические диполи.
Электрический диполь — электронейтральная совокупность равных по модулю и противоположных по знаку двух зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.
При отсутствии внешнего электрического поля дипольные молекулы благодаря тепловому движению располагаются беспорядочно. Поэтому векторная сумма напряженностей полей, созданных дипольными молекулами диэлектрика, равна нулю.
3). Ионные диэлектрики — вещества, имеющие ионную структуру. Среди них соли и щелочи: натрия хлорид натрия (NaCl), калий хлорид (KCl) и т.д. При отсутствии внешнего электрического поля каждая ячейка и кристалл в целом является электронейтральной.
4. Что происходит с диэлектриком в электрическом поле?
5.Поляризация диэлектриков.
Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Электрическая поляризация приводит к тому, что суммарный электрический момент объема вещества становится отличным от нуля.
В любом материале, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных носителей заряда, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, ионы. Под действием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний по направлению действующих сил в зависимости от величины напряженности поля. В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуцированный электрический момент dp. Образование индуцированного электрического момента Р в диэлектрике и представляет собой явление поляризации. Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации (поляризованность, интенсивность поляризации), который равен отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:
(2)
При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние.