I. Неметаллические материалы

К неметаллическим материалам относятся разнообразные по природе и строению материалы – органические и неорганические, полимерные и мономерные, кристаллические и аморфные. Например, графит, стекло, бумага, дерево, слюда, керамика, пластмассы, композиционные материалы, резины, клеи, герметики, лаки и т.д.

Их диэлектрические свойства, легкость, прочность, эластичность, химическая стойкость делают эти материалы необходимыми составляющими во всех электрических устройствах, машинах и летательных аппаратах.

С точки зрения электрических свойств, вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники – это вещества, в которых имеется большое количество свободных носителей заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого материала. Например, электроны в металле, ионы в жидкости или газе. Из-за этого такие материалы имеют малое значение удельного электрического сопротивления. Так у металлов оно составляет величину  = 10^–8 10^–6 Ом·м.

Диэлектрики – это вещества, в которых практически нет свободных носителей заряда, то есть, нет заряженных частиц, которые могли бы перемещаться внутри диэлектрика. Вследствие чего у таких материалов удельное электрическое сопротивление очень велико  = 10⁸ 10¹⁸ Ом·м

Полупроводники имеют значение удельного электрического сопротивления промежуточное между проводниками и диэлектриками  = 10^–5 10⁷ Ом·м. Их проводимость обусловлена перемещением некоторого количества подвижных носителей заряда (электронов, ионов и др.), возбужденных внешними энергетическими воздействиями (нагревом, облучением, наложением сильного электрического поля и т.д.).

Столь значительные различия в электрических свойствах материалов обусловлены различием в строении электронных энергетических зон (рис.1.). Нижние, заполненные электронами, разрешенные уровни энергии в кристалле называют валентной зоной. Верхние свободные энергетические уровни – зоной проводимости.

У диэлектриков зона проводимости отделена от валентной зоны зоной запрещенных значений энергии. Ширина запрещенной зоны у диэлектриков E_g > 3 э.в. (элекрон-вольт). Электроны не могут преодолеть столь значительный потенциальный барьер и поэтому не могут перемещаться в кристалле.

Диэлектрик Полупроводник Проводник

Рис.1. Строение энергетических зон кристаллических твердых тел.

У полупроводников ширина запрещенной зоны небольшая E_g  1 э.в. . При поглощении валентным электроном кванта энергии большего и равного ширине запрещенной зоны, электрон переходит в свободную зону проводимости и получает возможность перемещаться. После ухода электрона из валентной зоны в ней остается незанятое место – дырка. Таким образом, при возбуждении атома (за счет нагрева или облучения) в кристалле появляются два подвижных носителя заряда противоположных знаков: электрон и дырка.

У проводников запрещенная зона отсутствует, т.е. валентная зона и зона проводимости сливаются друг с другом. В этом случае при малейшем нагреве в зоне проводимости всегда содержится огромное число электронов, что и объясняет хорошую проводимость металлов.

Строение и свойства проводников металлов уже рассматривались ранее. Теперь изучим диэлектрики.