Классификация электроматериалов

1) По назначению

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

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

Электротехнические материалы находят применение в электротехнике, электронике и радиоэлектронике. Применение этих материалов в обусловлено прежде всего их электрическими и магнитными свойствами.

2) по электрическим свойствам

В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации на электротехнические материалы воздействуют электрическое и магнитное поля в отдельности и совместно. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на

- проводниковые,

- полупроводниковые

- диэлектрические.

Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел.

Сущность зонной теории электропроводности твердых тел

В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра на определенных орбитах. Согласно принципу Паули 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 (потолок) обозначается W_v.

Свободная зона называется зоной проводимости. Нижний уровень зоны проводимости (дно) обозначается W_c.

Промежуток между валентной зоной и зоной проводимости называют запретной зоной . Значение запретной зоны существенно влияет на свойства материалов.

Если 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. Проводниковые материалы служат для проведения электрического тока. Обычно к проводникам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением менее 10^-5 Ом-м.

Рис. 2.1. Диаграмма энергетических уровней изолированного атома (1) и твердого тела (2)

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. Диэлектрические материалы обладают способностью препятствовать прохождению тока.

Диэлектрики имеют высокое удельное электрическое сопротивление. К диэлектрическим материалам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением более 10⁷ Омм. Благодаря высокому удельному электрическому сопротивлению их используют в качестве электроизоляционных материалов.

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. Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, с помощью которой можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и т.д. Удельное электрическое сопротивление полупроводников составляет 10^-6...10⁹ Ом-м.

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.

Рис.2.2. Диаграмма энергетических уровней для проводников, полупроводников и диэлектриков

Рис.2.3. Сопротивления электротехнических материалов

Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, характеризующая способность материала проводить электрический ток под воздействием постоянного электрического поля, т. е. поля, напряжение которого не меняется во времени.

Электропроводность характеризуется удельной электрической проводимостью и удельным электрическим сопротивлением :

где J - плотность тока; - удельная электрическая проводимость, См/м; Е -напряженность электрического поля, В/м; - удельное электрическое сопротивление, Ом м.

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

3) по магнитным свойствам

Все материалы, находясь в магнитном поле, обладают определенными магнитными свойствами, которые обусловлены внутренними формами движения электрических зарядов.

По характеру взаимодействия с внешним магнитным полем все электрооматериалы подразделяются на немагнитные и магнитные.

Немагнитные материалы не взаимодействуют с магнитным полем, т.е. не приобретают магнитных свойств при воздействии на них магнитного поля (диамагнтики).

Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться.

В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра с определенным орбитальным моментом. Одновременно электроны вращаются вокруг своих осей со спиновыми магнитными моментами. Орбитальные и спиновые магнитные моменты, суммируясь, образуют магнитный момент атома. Магнитные свойства атома определяются в основном магнитными свойствами электрона, так как магнитный момент электронной оболочки атома приблизительно в 1000 раз больше магнитного момента атомного ядра.

Так как электроны с правым и левым вращениями имеют различное направление магнитных моментов, то суммарный магнитный момент атома может быть равен нулю или отличен от него.

Материалы с разной электронной структурой атомов обладают разными магнитными свойствами.

По силе взаимодействия с магнитным полем все материалы подразделяют на

1) слабомагнитные (диамагнетики, парамагнетики)

2) сильномагнитные (ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики).

Сила взаимодействия вещества с магнитным полем оценивается безразмерной величиной - магнитной восприимчивостью

где М - намагниченность вещества под действием магнитного поля, А× м^-1; Н -напряженность магнитного поля, А× м^-1.

Слабомагнитные материалы незначительно меняют свою намагниченность под действием внешнего намагничивающего поля и характеризуются магнитной восприимчивостью k_M < < 1.

К слабомагнитным материалам относятся диамагнетики и парамагнетики.

Диамагнетики представляют собой материалы, состоящие из атомов, у которых оболочки полностью заполнены электронами. Поэтому результирующий магнитный момент атома равен нулю. Диамагнетизм присущ всем материалам и выражается тем сильнее, чем больше электронов в атомах и чем дальше они расположены от ядра. Их магнитные свойства проявляются благодаря повороту электронных орбит под действием внешнего намагничивающего поля. Благодаря этому появляется результирующий магнитный момент, направленный встречно внешнему полю и ослабляющий внешнее поле внутри диамагнетика.

Магнитная восприимчивость диамагнетиков k_M = -10^-5 в большинстве случаев не зависит от температуры и напряженности намагничивающего поля.

Внешне диамагнетизм проявляется в том, что диамагнетик “выталкивается” из неоднородного магнитного поля.

К диамагнетикам относят большинство органических соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.

Парамагнетики характеризуются тем, что магнитные моменты отдельных атомов парамагнетиков ориентированы хаотично и в объеме твердого тела скомпенсированы. При помещении этих материалов в магнитное поле происходит ориентация незначительного числа магнитных моментов атомов и.усиление внешнего поля внутри парамагнетика. Это является следствием совпадения направления намагниченности парамагнетиков с направлением внешнего поля. После снятия внешнего магнитного поля парамагнетики сохраняют небольшую намагниченность.

Магнитная восприимчивость k_M = 10^-2...10^-5. У большинства парамагнетиков k_M значительно зависит от температуры, для некоторых парамагнетиков (щелочных металлов) k_M от температуры не зависит, а для некоторых имеет место аномальная зависимость. От напряженности поля при нормальной температуре парамагнетическая восприимчивость зависит слабо, но при температурах, близких к температуре Кюри, парамагнетики можно перевести в состояние магнитного насыщения. Внешне парамагнетизм проявляется в том, что парамагнетик “втягивается” в неоднородное магнитное поле.

К парамагнетикам относят алюминий, платину и др.

Сильномагнитные материалы обладают способностью к значительному изменению намагниченности под действием внешнего поля и характеризуются магнитной восприимчивостью k_M > > 1.

К сильномагнитным материалам относятся ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Ферромагнетики характеризуются следующими свойствами:

- способностью сильно намагничиваться даже в слабых магнитных полях (k_M = 10³... 10⁵);

- способностью переходить из ферромагнитного в парамагнитное состояние при температуре, превышающей температуру Кюри Т_к, т.е. способность терять магнитную восприимчивость на 3...4 порядка.

Магнитная восприимчивость k_M имеет сложную нелинейную зависимость от температуры и напряженности поля.

Ферромагнетики относятся к переходным элементам, у которых нарушен нормальный порядок заполнения электронных оболочек, в результате чего атомы имеют внутренние незаполненные оболочки. Это приводит к тому, что атомы этих элементов обладают нескомпенсированным магнитным моментом. В материалах, у которых суммарный магнитный момент атома отличен от нуля, образуются домены, т.е. области, самопроизвольно намагниченные до насыщения в отсутствие внешнего магнитного поля. В зависимости от кристаллической структуры вещества домены имеют различную форму. Линейные размеры домена составляют от тысячных до десятых долей миллиметра. Отдельные домены отделены друг от друга пограничным слоем толщиной 10^-2...10^-8 м. В зависимости от электронного взаимодействия нескомпенсированные спины соседних атомов устанавливаются параллельно или антипараллельно. Материалы, у которых нескомпенсированные спины соседних атомов устанавливаются параллельно, являются ферромагнетиками.

Процесс намагничивания ферромагнетика начинается с роста наиболее благоприятно ориентированных доменов. Такими являются домены, у которых направления магнитных моментов близки к направлению напряженности намагничивающего поля. Число этих доменов увеличивается из-за смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. После окончания роста доменов в объеме кристалла намагничивание материала продолжается из-за поворота магнитных моментов доменов. При совпадении направления векторов магнитных моментов доменов с направлением напряженности магнитного поля наступает магнитное насыщение (рис. 2.4). При дальнейшем повышении напряженности внешнего электромагнитного поля намагниченность материала увеличивается незначительно. При снятии внешнего поля векторы доменов поворачиваются в обратном направлении и материал размагничивается, но не полностью.

Рис. 2.2. Схемы ориентирования вектора намагниченности в доменах ферромагнетика:

а - при отсутствии внешнего поля; б - в слабом поле с напряженностью H₁; в - в сильном поле с напряженностью H₂; г - при насыщении (H₃ = H_S) и д - кривая намагничивания

При намагничивании ферромагнетиков наблюдаются явления анизотропии и магнитострикции.

Суть магнитной анизотропии состоит в том, что намагничиваемость кристалла по разным его направлениям неодинакова. В решетке кристалла ферромагнетика существуют направления легкого и трудного намагничивания. Железо и его сплавы кристаллизуются в кубическую структуру. Осями легкого намагничивания у них являются ребра куба, а самого трудного – пространственные диагонали (рис. 2.3, а). У никеля, имеющего также кубическую структуру, распределение осей намагничивания противоположное (рис. 2.3, б). У кобальта, имеющего гексагональную структуру, на­правление легкого намагничивания проходит вдоль шестиугольной грани, а трудного - вдоль ребра боковых граней (рис. 2.3, в).

Рис. 2.3. Диаграммы направления легкого и трудного намагничивания в монокристаллах железа (а), никеля (б) и кобальта (в)

В ненамагниченном образце направления магнитных моментов доменов совпадают с осями легкого намагничивания кристалла и располагаются равновероятно. При попадании образца в электромагнитное поле самым энергетически выгодным направлением является ось легкого намагничивания, составляющая с направлением внешнего поля наименьший угол.

Намагничивание и размагничивание ферромагнетика сопровождается изменением линейных размеров и формы кристалла. Это явление называется магнитострикцией. Оно характерно для всех магнитных материалов.

Магнитострикция материала оценивается константой магнитострикции (магнитострикционная деформация насыщения)

где - относительное изменение линейных размеров образца, м; - первоначальная длина образца, м.

Константа магнитострикции может принимать положительное и отрицательное значения. Ее значение и знак зависят от свойств материала и напряженности намагничивающего поля.

К ферромагнетикам относят железо, никель, кобальт и их сплавы, гадолиний, сплавы хрома и марганца и др.

Антиферромагнетики представляют собой материалы, у которых магнитные моменты соседних атомов равны, но их спины располагаются антипараллельно.

Магнитная восприимчивость k_M = 10^-3...10^-5 и отличается специфической зависимостью от температуры.

Ферримагнетики во многом подобны ферромагнетикам, но обладают следующими особенностями:

- значительно уступают ферромагнетикам по значению намагниченности насыщения (предельной намагниченности) М_s;

- в ряде случаев имеют аномальную зависимость намагниченности насыщения Ms от температуры с наличием точки компенсации.

Природа ферримагнетизма была впервые подробно изучена на ферритах - соединениях оксида железа Fe₂O₃ с оксидом металлов, например МеО× Fe₂O₃ (где Ме++ -двухвалентный металл). Магнитные свойства ферримагнетиков связаны с взаимным расположением в кристаллической решетке ионов железа и металла.

Ферримагнетики являются кристаллическими веществами с доменной структурой.