Мтали, напівпровідники, діелектрики.Електричні властивості.

До напівпровідників відносяться речовини, що займають по величині питомої електричної провідності проміжне положення між металами і діелектриками. Їх питома електрична провідність лежить у межах від 10-8 до 105 див/м и в відмінність від металів вона зростає з ростом температури.

Напівпровідники являють собою досить численну групу речовин. До них відносяться хімічні елементи: германій, кремній, бор, вуглець, фосфор, сірка, миш'як, селенів, сіре олово, телур, йод, деякі хімічні сполуки і багато органічних речовин.

В електроніці знаходять застосування обмежена кількість напівпровідникових матеріалів. Це насамперед кремній, германій, і арсенід галію. Ряд речовин, таких як бор, миш'як, фосфор використовуються як домішки.

Застосовувані в електроніці напівпровідники мають дуже зроблену кристалічну структуру. Їхні атоми розміщені в просторі в строго періодичній послідовності на постійних відстанях друг від друга, утворити кристалічні ґрати. Ґрати найбільш розповсюджених в електроніці напівпровідників - германія і кремнію - мають структуру алмазного типу. У таких ґратах кожен атом речовини оточений чотирма такими ж атомами, що знаходяться у вершинах правильного тетраедра.

Кожен атом, що знаходиться в кристалічних ґратах, електричний нейтральний. Сили, що утримують атоми у вузлах ґрат, мають квантовомеханічний характер; вони виникають за рахунок обміну взаємодіючих атомів валентними електронами. Подібний зв'язок атомів зветься ковалентного зв'язку, для її створення необхідний пара електронів.

У германії і кремнії, що є чотирьохвалентними елементами, на зовнішній оболонці мається по чотирьох ковалентні зв'язки з чотирма найближчими, навколишніми його атомами.

Усі метали (за винятком ртуті) при звичайних умовах є кристалічними речовинами. Їхні атоми розташовані в певному геометричному порядку і утворюють просторову кристалічну ґратку. У вузлах кристалічної ґратки містяться іони металів. Валентні електрони дуже слабо зв'язані з атомами і можуть легко переміщатися по всьому об'єму металу, переходячи від одних іонів до інших.

Легкою рухливістю валентних електронів пояснюється висока електропровідність і теплопровідність металів. На відміну від розчинів і розплавів при проходженні електричного струму через металічний провідник переносу частинок речовини не відбувається. Метали мають електронну електропровідність. За електропровідністю і теплопровідністю метали розміщуються в однаковому порядку. Найкращими провідниками електричного струму є срібло, мідь, золото і алюміній.

Характерна особливість металів — металічний блиск, тобто здатність добре відбивати світло. Але ця здатність проявляється лише тоді, коли метал утворює суцільну і гладку (поліровану) поверхню.

Дуже важливою властивістю більшості металів є пластичність, тобто здатність змінювати зовнішню форму при дії сторонньої сили і зберігати набуту форму після припинення впливу зовнішньої дії. На цій здатності базуються різні способи механічної обробки металів: прокатка, кування, штамповка, волочіння тощо. Однак ця властивість у різних металів виявляється не однаково. Здатність розкатуватись у тоненькі листи і витягуватись у тоненький дріт найкраще виявляється у золота, срібла, міді, алюмінію і олова, трохи гірше в заліза і цинку. Деякі метали зовсім не виявляють пластичності, вони дуже крихкі — це бісмут, манган і особливо стибій (сурма). При ударі вони розпадаються на шматочки.

За густиною метали умовно поділяють на легкі (густина яких менша 5 г/см³) і важкі (густина яких більша 5 г/см³). До найлегших металів належать літій, калій і натрій. Легкі метали — манган, алюміній і титан. Найважчими вважаються ртуть, золото, платина і осмій.

За твердістю метали теж дуже відрізняються один від одного. Найтвердішим металом є хром, який дряпає скло. За ним іде вольфрам, нікель і ін. До найм'якших металів належать калійі натрій, які легко ріжуться ножем. Дуже м'яким є також свинець. (Див. таблиця густин речовин; таблиця відносної твердості речовин)

За температурами плавлення метали теж різко відрізняються один від одного. Найнижчу температуру плавлення має ртуть (—39°С), за нею йде цезій (28,5 °C), рубідій (38,5 °C), калій(62,3 °C), а найвищу — вольфрам (3410 °C). (Див. таблиця температур плавлення речовин)

За забарвленням метали умовно поділяють на чорні — залізо, манган та їх чисельні сплави (чавун, сталь) і кольорові, до яких відносять усі інші метали. Відповідно до цього і промисловість, яка їх добуває, називають чорною і кольоровою металургією.

Оскільки вироби з діелектричних матеріалів підлягають впливу механічних навантажень, то велике практичне значення мають їх: механічна міцність, здатність не деформуватися під дією механічних напруг, крихкість та в’язкість.

Найпростішими статичними навантаженнями є розтягування, стискання та згинання. Значення меж міцності при розтягуванні _р, стисканні _с та згинанні _з в системі СІ виражаються в паскалях

1 [Па] = 1 [Н/м²] ≈ 10^-5 [кгс/см²].

Механічна міцність діелектричних матеріалів залежить від:

напрямку (матеріали анізотропної будови – волокнисті) та виду навантаження (скло, кераміка, більшість пластмас), що прикладається;

площі поперечного перерізу (у скляного волокна, при зменшенні його діаметру, межа міцності збільшується і може сягати значень характерних для бронзи);

температури (механічна міцність зменшується при зростанні температури (рис.2);

вологості повітря (для гігроскопічних матеріалів);

тривалості впливу механічного навантаження (для термопластичних матеріалів).

Здатність матеріалів деформуватися при тривалому впливі механічного навантаження, називається пластичною або холодною течією матеріалу. З ростом температури пластична течія матеріалу суттєво зростає.

Рис. 2 Графік залежності від температури межі міцності при розтягуванні _р поліетилену низької щільності

Крихкість – це здатність матеріалу руйнуватися без помітної пластичної деформації. Вона залежить від структури матеріалу та умов випробування і зростає при збільшенні швидкості навантаження, при зменшенні температури та підвищенні степені концентрації напруг.

Крихкість матеріалу, що спостерігається при ударних навантаженнях, називається ударною крихкістю. Існує багато матеріалів, які витримують статичні навантаження, але легко руйнуються динамічними зусиллями.

Для оцінки можливостей матеріалу витримувати динамічне навантаження його перевіряють на ударне згинання – дослідження ударної в’язкості. Ударна в’язкість матеріалу σ_ударна це витрачена на злам зразка енергія W, віднесена до площі поперечного перерізу зразка S:

,

Одиниця вимірювання ударної в’язкості σ_ударна в системі СІ – [Дж/м²].

Значна ударна в’язкість у поліетилену σ_ударна = 100 [кДж/м²] та мала у керамічних матеріалів та мікалексу σ_ударна = 2 ÷ 5 [кДж/м²].

В деяких випадках діелектричні матеріали перевіряють на здатність витримувати без руйнування тривалий вплив вібрацій – періодичних механічних коливань певної амплітуди та частоти (вібростійкість).

Для рідинних та напіврідинних діелектричних матеріалів важливою механічною характеристикою є в’язкість.

В’язкість (внутрішнє тертя) – властивість рідин та газів створювати опір переміщенню однієї її частини відносно іншої. Кількісно в’язкість характеризується значенням коефіцієнта динамічної в’язкості або коефіцієнтом внутрішнього тертя η.

Поняття коефіцієнта динамічної в’язкості використовується в цілому ряді законів гідродинаміки:

кількість (об’єм) V рідини з динамічною в’язкістю η, яка протікає за час τ під тиском Р крізь капіляр довжиною ℓ з радіусом r визначається за законом Пуазейля:

V =

(Жан Лу Марі Пуазейль, 1799-1869 р.р. – французький фізик).

Швидкість руху υ твердої кулі радіусом r в неоднорідному середовищі з динамічною в’язкістю η під впливом постійного зусилля F, визначається за законом Стокса:

υ =

В системі СІ коефіцієнт динамічної в’язкості η вимірюється в паскалях помножених на секунди, [Па · с], а в системі СГС в сантипаузах, [cП]

1 [Па · с] = 1000 [сП].

Кінематична в’язкість ν дорівнює відношенню динамічної в’язкості η до щільності рідини ρ

ν = η /ρ.

В системі СІ кінематична в’язкість ν вимірюється в [м²/с], а в системі СГС в стоксах [Ст], 1[м²/с] = 10 ⁴[Ст].

Залежність коефіцієнта динамічної в’язкості від температури має вигляд

η(Т) = А· е ^{W/k · Т} ,

де А – стала, що характеризує рідину; W - енергія активації, яка дорівнює роботі переходу молекули з одного стійкого стану в інший.