1.3 Аморфные и аморфно-кристаллические вещества

Аморфные вещества. 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 плавленый 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, плавленый кварц и др.;

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

Аморфно-кристаллические вещества. Некоторые вещества могут находиться в аморфном и кристаллическом 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 повешенных температурах или давлении. В связи с образованием мелких кристаллов 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.

Глава 2 классификация электроматериалов

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

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

Материалы, которые находят применение в электротехнике, называют электротехническими. Применение этих материалов обусловлено прежде всего их электрическими и магнитными свойствами.

2.1. Классификация материалов по электрическим свойствам

В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации на электроматериалы воздей­ствуют электрическое и магнитное поля в отдельности и совместно. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел. Сущность этой теории состоит в следующем.

В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра на определенных орбитах. На каждой орбите может находиться не более двух электронов. Каждой орбите соответствует строго определенное значение энергии, которой может обладать электрон, т. е. каждая орбита представляет собой опреде­ленный энергетический уровень. Под воздействием притяжения по­ложительно заряженного атомного ядра электроны стремятся занять ближайшие к ядру уровни с минимальным значением энергии. Поэтому нижние энергетические уровни оказываются заполненными электронами, а верхние уровни - свободными. 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 обозначается Wv. Свободная зона называется зо­ной проводимости. Нижний уровень зоны проводимости обознача­ется Wc. Промежуток между валентной зоной и зоной проводимос­ти называют запретной зоной W. Значение запретной зоны существенно влияет на свойства материалов.

Валентная зона

(заполненная)

Рис 2.11 Диаграмма энергических уровней изолированного атома (1) и твердого тела (2).

Если W равна или близка к нулю, то электроны могут перейти на свободные уровни благодаря собственной тепловой энергии и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относят к проводникам. Типичными проводниками являются металлы.

Если значение запретной зоны превышает несколько электрон-вольт (1 эВ - энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1В), то для перехода электронов из валентной зоны в зону про­водимости требуется значительная энергия. Такие вещества относят к диэлектрикам. Диэлектрики имеют высокое удельное электрическое сопротивление.

Если значение запретной зоны составляет 0,1...0,3 эВ, то электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимости благодаря внешней энергии. Вещества с управляемой проводимостью относят к полупроводникам.

Проводниковые материалы служат для проведения электричес­кого тока.

Обычно к проводникам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением р менее Ом*м.

Диэлектрические материалы обладают способностью препятствовать прохождению тока.

К диэлектрическим материалам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением р более 10⁷ Ом*м. Благодаря высо­кому удельному электрическому сопротивлению их используют в качестве электроизоляционных материалов.

В зависимости от структуры и внешних условий материалы могут переходить из одного класса в другой. Например, твердые и жидкие металлы - проводники, а пары металлов - диэлектрики; типичные при нормальных условиях полупроводники германий и кремний при воздействии высоких гидростатических давлений становятся проводниками; углерод в модифи­кации алмаза - диэлектрик, а в модификации графита - проводник.

Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, с помощью которой можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и т.д.

Удельное электрическое сопротивление полупроводников со­ставляет Ом*м.

Основным свойством вещества по отношению к электрическо­му полю является электропроводность.

Электропроводность характеризуется удельной электрической проводимостью и удельным электрическим сопротивлением р:

(2)

J - плотность тока; y - удельная электрическая проводимость, См/м; E напряженность электрического поля, В/м; р = 1 /y - удельное электрическое со­противление, Ом-м.

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