Классификация материалов по электрическим свойствам

Классификация материалов по электрическим свойствам

Классификация материалов по электрическим свойствам

Всематериалы в зависимости от их электрическихсвойств можно разделить на диэлектрики,проводники иполупроводники.Различие между диэлектриками, проводникамии полупроводниками наиболее наглядноможно показать с помощью энергетическихдиаграмм зонной теории твердых тел [2].В энергетической диаграмме твердоготела различают три зоны: заполненнаяэлектронами, запрещенная (такие энергииэлектроны данного материала иметь немогут) и зона проводимости (свободнаязона) (рис. 1).

Удиэлектриказапрещенная зона настолько велика (3,5 эВ), что свободные электроны практически не возникают и электроны в обычныхусловиях не наблюдается, так как энергию3,5эВ имеют лишь фотоны космических лучей и радиоактивного излучения.

Полупроводники имеют узкую запрещенную зону (3,5 < < 0), которая может быть преодолена засчет внешних воздействий (облучениеполупроводника, нагрев и т. д.), и уматериала появляется проводимость.

Упроводниковзаполненная электронами зона вплотнуюприлегает к зоне проводимости или дажеперекрывается ею (). Вследствие этого электроны из заполненнойзоны могут свободно переходить нанезанятые уровни зоны проводимости подвлиянием слабой напряженностиэлектрического поля и вызывать протеканиетока.

Рис.1. Энергетические диаграммы диэлектриков(а), полупроводников (б), проводников(в)

Классификация материалов по магнитным свойствам

Любоевещество, помещенное в магнитное поле,приобретает магнитный момент. Есливзять катушку и поместить в нее сердечникииз разных материалов, то магнитное поле,возникающее внутри сердечника, будетусиливать или ослаблять внешнее полев раз. По магнитным свойствам все материалыможно разделить на две группы:

1)слабомагнитные (µ 1);

2)сильномагнитные (µ >> 1).

Слабомагнитныематериалы в технике применяются редко,поэтому их рассматривать не будем. Вэнергетике в качестве магнитныхматериалов используются лишь материалы,у которых µ >> 1.

Такимобразом, в разделе «Электротехническиематериалы» будут рассмотрены следующиегруппы материалов:

  1. диэлектрики;

  2. проводники;

  3. полупроводники;

  4. магнитные материалы (µ >> 1).

Конструкционные материалы – твёрдыематериалы, предназначенные дляизготовления изделий, подвергаемыхмеханическому нагружению.

Они делятся натипы, основными из которых являются:

− металлы и сплавы;

− неметаллическиематериалы (пластмассы, полимеры, древесинаи др.);

− композиционныематериалы.

Наибольшее распространение из конструкционных материалов нашли металлы и сплавы. Поэтому в разделе «Конструкционные материалы» основное внимание уделено металлам и сплавам

Ковсем разделам, перечисленным выше,разработаны лабораторные работы настендах и ЭВМ.

Электротехнические материалы

1.Диэлектрики (часть 1: лаб. работы № 1−3;часть 2: лаб. работа № 1);

2.Проводники (часть 1: лаб. работа № 4; часть2: лаб. работы № 2–4);

3.Полупроводники (часть 1: лаб. работа №5; часть 2: лаб. работы № 5–6);

4.Магнитные материалы (часть1: лаб. работы № 6–7; часть 2: лаб. работа№ 7).

Конструкционныематериалы

Металлыи сплавы(часть 2: лаб. работа № 8).

Часть2

ЛАБОРАТОРНЫЕРАБОТЫ НА ЭВМ

Общие сведенияо программах

Всепрограммы, применяемые при изучениидисциплины « Материаловедение. Технологияконструкционных материалов» первоначальнобыли написаны на Турбо-Бейсике. Первыетри программы были созданы еще в 2000году, а в 2001 году – отмечены дипломомМинистерства образования РоссийскойФедерации.

Эта награда послужила стимуломдля создания новых программ.

Первыепрограммы создавались как копиилабораторных работ на стендах и в первуюочередь предназначались для студентовзаочного и вечернего отделения, которыепо разным причинам не смогли выполнитьлабораторные работы своевременно,поэтому изучали пропущенный материалсамостоятельно на домашних компьютерах.

C2000 года на кафедре создано уже 9 программна Турбо-Бейсике. Эти программы можноразбить на три группы:

а)у программы есть аналог на стенде (вэтом случае в описании приведенафотография стенда);

б)в основу программы положена работа настенде, но порядок выполнения работына ЭВМ существенно отличается от порядкавыполнения на стенде (на ЭВМ реализованопостроение зависимостей, получениекоторых на стенде обычно не проводится);

в)в программе изучается очень важнаятема, для которой создать исследовательскуюустановку в условиях вуза нереально(например, исследование криопроводимости).

C2004 года основные программы, в которыхиспользуются фотографии реальныхэкспериментальных установок, продублированына Delphi. Это позволяет студентам проводитьлабораторные работы приближенно креальным условиям. В 2009 году новыелабораторные работы были отмеченыдипломом Министерства образования инауки Российской Федерации.

Источник: https://studfile.net/preview/5866794/page:2/

Классификация материалов по электрическим свойствам — Все об электричестве

Классификация материалов по электрическим свойствам

Всематериалы в зависимости от их электрическихсвойств можно разделить на диэлектрики,проводники иполупроводники.Различие между диэлектриками, проводникамии полупроводниками наиболее наглядноможно показать с помощью энергетическихдиаграмм зонной теории твердых тел [2].В энергетической диаграмме твердоготела различают три зоны: заполненнаяэлектронами, запрещенная (такие энергииэлектроны данного материала иметь немогут) и зона проводимости (свободнаязона) (рис. 1).

Удиэлектриказапрещенная зона настолько велика (3,5 эВ), что свободные электроны практически не возникают и электроны в обычныхусловиях не наблюдается, так как энергию3,5эВ имеют лишь фотоны космических лучей и радиоактивного излучения.

Читайте также  Установка электрической плиты своими руками

Полупроводники имеют узкую запрещенную зону (3,5 < < 0), которая может быть преодолена засчет внешних воздействий (облучениеполупроводника, нагрев и т. д.), и уматериала появляется проводимость.

Упроводниковзаполненная электронами зона вплотнуюприлегает к зоне проводимости или дажеперекрывается ею (). Вследствие этого электроны из заполненнойзоны могут свободно переходить нанезанятые уровни зоны проводимости подвлиянием слабой напряженностиэлектрического поля и вызывать протеканиетока.

Рис.1. Энергетические диаграммы диэлектриков(а), полупроводников (б), проводников(в)

Раздел 1 ФИЗИКО — ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 6

Проводниковые материалы обладают способностью проводить электрический ток и характеризуются весьма малым или заданным удельным сопротивлением p, которое возрастает с увеличением температуры. Хорошая электропроводность обусловлена большим количеством свободных электронов, способных покинуть атомы.

Концентрация свободных электронов в чистых металлах различается незначительно. Если в проводнике создается электрическое поле, то под действием этого поля электроны приобретают ускорение, пропорциональное напряженности, в результате чего возникает направленное движение электронов, течет электрический ток.

К проводниковым относятся и материалы с высоким сопротивлением, и сверхпроводниковые, и криопроводниковые материалы, у которых удельное электрическое сопротивление при очень низких температурах очень мало.

Тема 3.1 Классификация проводниковых материалов

По агрегатному состоянию проводниковые материалы делят на газообразные, жидкие и твердые.

К газообразным относятся пары веществ и газы при таком значении напряженности электрического поля, которое обеспечивает начало процесса ионизации молекул. В ионизированном газе перенос электрических зарядов осуществляется как электронами, так и ионами.

Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положительных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, плазму. Проводимость газов используется в различных газоразрядных приборах.

К жидким проводникам относятся различные растворы солей, кислот, щелочей и др. веществ, а также их расплавы, проводящие электрический ток и называемые электролитами. Жидкими проводниками являются также расплавы металлов. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.

Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет -39°С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть применена только ртуть. Температуру плавления, близкую к нормальной (29,8°С), имеет еще галлий.

Твердыми проводниками материалами являются металлы и их сплавы. Металлы в твердом состоянии являются кристаллическими веществами, для которых характерен особый вид металлической связи между атомами. Электропроводность металла, как в твердом, так и жидком состоянии обусловлена переносом электрических зарядов только электронами, поэтому твердые и жидкие металлы часто называют проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первого рода.

Растворы и расплавы солей, кислот, щелочей, проводящие электрический ток, называют проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода.

К металлам относят пластичные вещества с характерным для них блеском, которые хорошо проводят электрический ток и теплоту. Среди материалов электронной техники металлы занимают одно из важнейших мест.

Металлы в твердом состоянии являются кристаллическими веществами, для которых характерен особый вид металлической связи между атомами. Электропроводность металла, как в твердом, так и жидком состоянии обусловлена переносом электрических зарядов только электронами.

По характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на металлы высокой проводимости ( p≤ 0,1 мкОм*м) и сплавы высокого сопротивления (p≥ 0,3 мкОм*м).

Металлы высокой проводимости (серебро, медь, алюминий, железо, золото и др.) используют для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей, в контактных материалах и припоях.

Кроме того, в настоящее время находят большое применение сверхпроводники, обладающие ничтожно малым удельным сопротивлением при очень низких температурах (алюминий, ртуть, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном, цирконием и др.).

Сплавы высокого сопротивления применяют при изготовлении резисторов и резистивных элементов различных типов и назначения. Распространены: медно-марганцевые сплавы (манганины), медно-никелевые сплавы (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихром).

Тема 3.2 Свойства проводниковых материалов

Рисунок 3.1 – Схема строения металлического проводника (а) и образования межмолекулярной связи.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов.

Кристалл представляется в виде пространственной решетки, узлы которой заняты положительными ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны, то есть электроны «стягивают» ионы, стремясь уравновесить силы отталкивания, действующие между одноименно заряженными ионами. Электроны постоянно переходят от одного атома к другому, вращаясь то вокруг одного, то другого атомного ядра.

Ионы в узлах кристаллической решетки с металлической связью не являются абсолютно неподвижными и совершают хаотические колебания. При нагреве колебания ионов увеличиваются, и как следствие, затрудняется свобода движения электронов. Поэтому при нагреве металлов их электропроводность падает.

Читайте также  Преобразование тепла в электричество своими руками

Очевидно, что электропроводность является характеристикой материала, зависит от его структуры (агрегатного состояния, дефектов, примесей и т.д.), зависит от температуры и внешних воздействий (магнитного поля, облучения, напряженности электрического поля и т.д.).

Определяющей составляющей в электропроводности является подвижность носителей зарядов в материале.

Высокая теплопроводность металлов объясняется посредством передачи тепловой энергии атомов нагретого участка металла атомам холодного участка за счет переноса этой энергии коллективизированными электронами (обусловлена движением электронного газа и его плотностью), поэтому металлы с хорошей электропроводностью являются также хорошими проводниками тепла.

Для металлов количественное соотношение между электропроводностью и теплопроводностью устанавливает закон Видемана – Франца – Лорентца:

γт/γ = LoT,

где γткоэффициент теплопроводности, Вт/м К; γ – удельная проводимость металла, См* м-1, величина обратная ρ; Loчисло Лорентца, равное 2,45*10-8 В2/К2; Т – абсолютная температура металла, К.

Пластичность металлов также непосредственно связана с их внутренним строением, которое допускает скольжение одних слоев относительно других под воздействием внешнего воздействия.

При контакте двух металлов возникает термоэлектродвижущая сила, что объясняется следующим образом:

При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов U, обусловленная различием работы выхода электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа. Величина U для различных пар металлов колеблется от десятых долей вольта до нескольких вольт. Если в замкнутой цепи двух проводников один контакт нагреть до температуры t1, а другой до t2, то в цепи возникает термо-ЭДС

U = К (t1- t2),

где К – коэффициент термо-ЭДС, постоянный для данной пары проводников, В/К.

В общем случае термопара состоит из термоэлектродной пары (пары проволок из разнородных материалов, сваренных с одного конца) и удлинительных (компенсационных) проводов, подсоединяемых к свободным концам термопары.

Рисунок 3.5 – Устройство термопары

Сверхпроводимость

Она проявляется при достаточно низких температурах в резком снижении удельного сопротивления материала практически до нулевых значений.

При температурах близких к абсолютному нулю становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование электронных (куперовских) пар. Они обладают большой энергией связи, поэтому обмена энергией между ними и решеткой нет.

При этом сопротивление металла становится равным 0. При повышении температуры куперовские пары распадаются и сверхпроводимость исчезает.

Криопрводимость

При охлаждении проводника примерно до -173оС тепловое движение электронов и тепловые колебания атомной решетки замедляется. Число соударений электронов и атомов сокращается, и сопротивление проводника падает. При достижении криогенных температур, лежащих в диапазоне температур сжижения гелия (4,2К), водорода (20,3К), азота (77,4К), удельная проводимость металла возрастает в сотни и тысячи раз (криопроводимость) по сравнению с проводимостью при нормальной температуре. Но сверхпроводимость не наступает.

Свойства проводниковых материалов

К основным параметрам проводниковых материалов относятся:

1) удельное электрическое сопротивление проводника с сопротивлением R. постоянным поперечным сечением S и длиной l вычисляется по формуле

ρ =RS/lОм* м;

Значение ρ у металлов в нормальных условиях отличаются друг от друга примерно в 100 раз.

Источник: https://contur-sb.com/klassifikatsiya-materialov-po-elektricheskim-svoystvam/

Строение и свойства материалов — Химические свойства

Классификация материалов по электрическим свойствам

Page 5 of 10

Химические свойства определяются химическим составом материала. Показатели содержания основных веществ и примесей для большинства материалов широко используются при оценке их свойств. Значение химического состава дает возможность судить о ряде свойств материала и его устойчивости к различным воздействиям. Так, например, определенный процент содержания хрома в стали делает ее нержавеющей; повышенное содержание серы и фосфора превращает сталь в хрупкий, непригодный к применению материал; химические свойства стекла полностью определяются его составом.

Химостойкость – это стойкость материала к взаимодействию с различными химически активными веществами. Для металлов большое значение имеет коррозионная стойкость. При определении химостойкости образцы материалов на длительное время помещают в условия, близкие к тем, в которых они должны реально выполнять свои функции, или еще более суровые с точки зрения концентрации химической активности среды, температуры и т.д. [2]. После этого определяют изменение структуры внешнего вида образцов, их массы и т. д.

Электрические свойства

Уравнения Максвелла устанавливают зависимость четырех основных характеристик электромагнитного поля (ЭМП) (векторов ) от электрических и магнитных параметров среды (s, e, m), в которой существует поле. Здесь s – удельная электропроводность, e – диэлектрическая проницаемость, m – магнитная проницаемость этой среды.

Под действием электромагнитного поля в любом веществе происходит перемещение свободных зарядов. Различают свободные и связанные электрические заряды. В зависимости от преобладания того или иного вида зарядов все материалы подразделяются на проводники и непроводники (полупроводники и диэлектрики).

При воздействии электромагнитного поля на твердый проводник приходят в движение свободные носители заряда – электроны, покидая пределы атомов и молекул, которым они принадлежат. Такое явление называется электропроводностью. Разобщенные заряды разных знаков (электроны и ионы) полностью экранируют внутренний объем проводника от внешнего поля, поэтому внутри проводника электрическое поле отсутствует.

Читайте также  Проводит ли силиконовый герметик электричество?

Явление смещения связанных зарядов на ограниченное расстояние, как правило сопоставимое с межатомным, называется поляризацией. Смещение связанных зарядов под действием электрического поля характерно для диэлектриков, т.е. материалов с низкой концентрацией свободных носителей заряда.

В этом случае внешнее электрическое поле не приводит к пространственному (макроскопическому) разделению разноименных зарядов, поэтому в единице объема диэлектрика сохраняется электронейтральность. Диэлектрик ведет себя подобно электрическому диполю с разноименно заряженными полюсами (поверхностями), при этом внешнее поле экранируется, но не полностью, а лишь частично.

Поляризация диэлектрика создает внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему.

Электрические свойства материалов наиболее полно раскрывают их природу и сущность. Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, т.е. способность проводить электрический ток под воздействием приложенного постоянного электрического напряжения. Электрический ток – это упорядоченное, направленное движение электрических зарядов в пространстве. При отсутствии электрического поля тепловое движение носителей заряда является хаотическим.

Если в веществе существуют свободные носители заряда только одного вида, то плотность тока j, т.е. электрический заряд, переносимый за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к напряженности электрического поля , равна:

, (1.1)

где q – заряд, Кл; n – число находящихся в единице объема вещества свободных носителей заряда (концентрация носителей, м-3); u – средняя скорость упорядоченного движения носителей (дрейфовая скорость), возникшего под действием электрического поля, м/с. Обычно эта скорость пропорциональна напряженности поля e:

, (1.2)

где m – коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью свободных носителей заряда, м2/(В'с), см2/(В'с).

С учетом (1.2) уравнение (1.1) можно представить в виде

j = se = e/r, (1.3)

где s = qnm – удельная электрическая проводимость, См/м; r = 1/s – удельное электрическое сопротивление, Ом'м.

В более общем случае, когда в веществе присутствуют носители заряда разных видов, удельная проводимость представляет собой сумму отдельных составляющих электропроводности:

s = 5_qi_nimI, (1.4)

причем суммирование распространяется на все виды носителей заряда.

Уравнение (1.3) выражает закон Ома в дифференциальной форме. Удельная проводимость и удельное сопротивление определяют плотность тока в веществе при заданной напряженности электрического поля, т.е. являются количественными параметрами электропроводности вещества.

Параметры s или r определяют также рассеяние электрической энергии в веществе при постоянном поле. Закон Джоуля–Ленца в дифференциальной форме имеет вид

E = se2 = e2/r, (1.5)

где Е – энергия электрического поля с напряженностью e, превращающаяся в тепло за единицу времени в единице объема вещества, т.е. удельная мощность, Вт/м3.

Значения r и s разных материалов как естественного, так и искусственного (синтетического) происхождения находятся в широком диапазоне. У веществ в сверхпроводящем состоянии удельное сопротивление практически равно нулю, а у разреженных газов стремится к бесконечности. Значения r твердых веществ охватывают 25 порядков: от r ~10-8 Ом'м для лучших металлических проводников (серебро, медь) до r ~1017 Ом'м для лучших диэлектриков (кварц, фторопласт-4).

Обычно к проводникам относят вещества с удельным сопротивлением менее 10-5 Ом'м, к диэлектрикам – с r более 107 Ом'м; удельное сопротивление полупроводников составляет 10-6 — 109 Ом'м [3]. Как следует из (1.

4), величина электропроводности материала зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности. Подвижность носителей в одном и том же материале может меняться в тысячи раз, но наиболее характерны ее значения: для металлов – десятки, для кристаллических полупроводников – тысячи см2/(В'с).

Подвижность ионов, которые являются преобладающими носителями заряда в диэлектриках, гораздо ниже: m = 10-7 — 10-2 см2/(В'с).

При классификации материалов по электрическим свойствам, кроме значения r, необходимо учитывать и физическую природу электропроводности, в частности вид свободных носителей заряда, зависимость электропроводности от температуры [1–4].

Кратко остановимся на основных технических применениях проводников, полупроводников и диэлектриков.

Проводниковые материалы предназначены для проведения электрического тока. К ним также относятся, с одной стороны, сверх- и криопроводниковые материалы, удельное сопротивление которых при низких (криогенных) температурах весьма мало, а с другой – материалы высокого сопротивления, применяемые для изготовления резисторов и электронагревательных элементов.

Полупроводниковые материалы используют в технике в тех случаях, когда необходимо управление проводимостью материала (или прибора) с помощью электрического напряжения, температуры, освещенности и др. Из этих материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, свето- и фоторезисторы, другие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

Диэлектрические материалы как вещества с высоким удельным сопротивлением применяют в качестве электроизоляционных, которые препятствуют прохождению тока нежелательными путями. В конденсаторах диэлектрические материалы служат для создания необходимой электрической емкости.

Источник: http://mashmex.ru/materiali/63-stroeniematerialov.html?start=4