Материал: Основы механики

Конспект лекции 1. Введение. Общие сведения о строении вещества. Виды связи

Основными элементарными частицами, из которых состоят все известные нам вещества, являются протоны, нейтроны, электроны. Из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, электроны заполняют оболочки атома, компенсируя положительный заряд ядра. Строение ядра атома, периодичность заполнения оболочек электронами можно находить с помощью таблицы Д.И.Менделеева.

Газы, жидкие и твердые тела состоят из атомов, молекул или ионов. Размеры атомов - порядка ангстрема, размеры положительных ионов, получившихся из атомов, лишившихся части электронов, меньше чем размеры атомов, а размеры отрицательных ионов, присоединивших дополнительные электроны больше, чем размеры соответствующих атомов. Ионами могут быть и группы атомов, потерявших или присоединивших электроны. электрический магнитный пробой диэлектрик

Молекулы газов содержат различное число атомов. Так, например, гелий, неон и аргон - одноатомные газы; водород, азот, кислород состоят из двухатомных молекул; углекислый газ, водяной пар - из трехатомных молекул; молекула аммиака - из четырех; метана - из пяти. В зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов, могут образовываться различные виды связи.

Наиболее часто встречаются молекулы, в которых существуют ковалентные и ионные химические связи. Ковалентная связь возникает при обобществлении электронов двумя соседними атомами. Химическая связь такого типа осуществляется в молекулах H2 ,O2, CO и другие.

Молекулы, в которых центры одинаковых по величине, 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.

Полярная молекула характеризуется дипольным моментом, который определяется произведением заряда и расстояния между центрами положительного и отрицательного зарядов.

Классификация веществ по электрическим свойствам

Электротехническими материалами называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств. Практически различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических или магнитных полей, так и их совокупностью.

По поведению в магнитном поле материалы подразделяются на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли широкое применение в технике с учетом их магнитных свойств. По поведению в электрическом поле материалы подразделяются на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Рисунок 1 - Энергетические диаграммы диэлектриков (а), полупроводников (б) и проводников (в) при абсолютном нуле с точки зрения зонной теории твердого тела: 1 - заполненная электронами зона, 2 - запрещенная зона, 3 - зона свободных энергетических уровней

Зона, содержащая энергетические уровни с электронами, имеющими связь с атомами, называется валентная зона (заполненная электронами зона).

Зона, содержащая энергетические уровни, на которых нет и не могут находиться электроны, называется запрещенной зоной.

Зона, содержащая энергетические уровни со свободными электронами (не имеющих связи с атомом), называется свободная зона (зона свободных энергетических уровней).

Диэлектриками будут такие материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных условиях не наблюдается.

Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий.

Проводниками будут материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею.

С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолютного нуля - убывает вплоть до нуля.

Таким образом, электропроводность веществ при различных температурах может быть существенно различной. Процесс термогенерации - это рост числа электронов, с повышением температуры переходящих из валентной зоны в свободную.

Процесс перехода электрона в свободное состояние сопровождается обратным явлением, т.е. возвратом электронов в валентную зону. Этот процесс называется рекомбинация. В результате при постоянной температуре в веществе наступает равновесие, т.е. число электронов переходящих в свободную зону равно числу электронов возвращающихся в валентную зону.

Энергию, необходимую для перехода электронов в свободное состояние или для образования дырок (освободившееся после ухода электрона из валентной зоны вакантное место), может доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии: свет, поток электронов и ядерных частиц, электронные и магнитные поля, механические воздействия и т.д.

Электронные свойства определяются условиями взаимодействия атома вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Например, углеводород в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита обладает большой проводимостью.

Примеси и дефекты кристаллической решетки сильно влияют на электрические свойства твердых тел.

Классификация веществ по магнитным свойствам

По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики). Диамагнетиками являются вещества с магнитной проницаемостью r<1, значение которой не зависит от напряжения внешнего магнитного поля.

К ним относятся: водород, инертные газы, большинство органических соединений, каменная соль и некоторые металлы (медь, цинк, серебро, золото, ртуть), а также висмут, галлий, сурьма.

К парамагнетикам относятся вещества с магнитной проницаемостью r >1, также не зависящая от напряжения внешнего магнитного поля. К ним относятся: кислород, оксид азота, соль железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, щелочные металлы, алюминий и платина.

Диамагнетики и парамагнетики имеют магнитную проницаемость близкую к 1, и по магнитным свойствам нашли себе ограниченное применение в технике.

У сильномагнитных материалов магнитная проницаемость r>>1 и зависит от напряженности магнитного поля. К ним относятся: железо, никель, кобальт, их сплавы, сплавы хрома и марганца, гадолиний и ферриты различного состава.

Физические процессы в диэлектрических материалах. Диэлектрик в электрическом поле

Основным характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация - ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии, вызывающего нагрев диэлектрика.

В нагреве технического диэлектрика могут участвовать содержащиеся в нем немногочисленные свободные заряды, обуславливающие возникновение под воздействием электрического напряжения малого сквозного тока, проходящего через толщу диэлектрика и по его поверхности.

Наличие сквозного тока, объясняется явлением электропроводности технического диэлектрика, численно характеризуемое значениями удельное объемное электрической проводимости и удельно-поверхностной электрической проводимости, являющимися обратными соответствующим значениям удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений.

Любой диэлектрик может быть использован только при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определенных условиях. При напряжениях выше этих предельных значений наступает пробой диэлектрика - полная потеря им электроизоляционных свойств.

Значения напряжения при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующие значения напряженности внешнего однородного электрического поля - электрической прочностью диэлектрика.