Електричні властивості матеріалів.
Класифікація електроматеріалів за електричними властивостями базується на уявленнях зонної теорії електропровідності твердих тіл. Основні положення цієї теорії такі.
В ізольованому атомі електрони обертаються навколо ядра на визначених орбітах. Згідно з принципом Паулі на кожній орбіті може знаходитися не більше двох електронів. Кожній орбіті відповідає чітко визначене значення енергії, яку може мати електрон, тобто кожна орбіта являє собою визначений енергетичний рівень Під дією притягання позитивно зарядженого атомного ядра електрони прагнуть зайняти ближні до ядра рівні з мінімальним значенням енергії. Тому нижні енергетичні рівні виявляються заповненими електронами, а верхні рівні — вільними. Електрон може стрибкоподібно перейти З НИЖНЬОГО енергетичного рівня W1 на інший вільний рівень W2. Для цього електрону необхідно надати додаткову енергію W= W2-W1. Якщо вільних рівнів в атомі немає, то електрон не може змінити свою енергію, тому він не бере участі у створенні електропровідності.
У кристалічних ґратках, які складаються з декількох атомів, окремі енергетичні рівні розщеплюються на підрівні, які утворюють енергетичні зони. При цьому розщеплюються вільні і заповнені енергетичні рівні. Зона, яка заповнена електронами називається валентною. Верхній рівень валентної зони позначається Wv. Вільна зона називається зоною провідності. Нижній рівень зони провідності позначається Wc. Проміжок між валентною зоною і зоною провідності називається забороненою зоною. Значення забороненої зони суттєво впливає на властивості матеріалів.
Якщо заборонена зона дорівнює нулю або близька до цього значення, то електрони можуть перейти на вільні рівні завдяки власній тепловій енергії та збільшити провідність речовини. Речовини з такою структурою енергетичних зон відносять до провідників. Типовими провідниками є метали.
У металі електрони вільні, тобто вони можуть переходити з рівнів заповненої зони на незайняті рівні вільної зони під впливом слабкої напруженості, прикладеної до провідника електричного поля.
Якщо значення забороненої зони перевищує декілька електрон- вольт (1 еВ — енергія електрона, одержана ним при переміщенні між двома точками електричного поля з різницею потенціалів 1 В), то для переходу електронів з валентної зони в зону провідності необхідна значна енергія. Такі речовини відносяться до діелектриків. Діелектрики мають високий питомий електричний опір.
Якщо значення забороненої зони складає 0,1...0,3 еВ, то електрони легко переходять з валентної зони в зону провідності завдяки зовнішній енергії. Речовини з керованою провідністю відносять до напівпровілників.
При відсутності в напівпровіднику вільних електронів (при нулю Кельвіна) прикладена до нього різниця електричних потенціалів не викличе виникнення струму. Якщо ззовні буде підведена енергія, достатня до переведення електронів через заборонену зону, то ставши вільними, електрони зможуть переміщатися під дією електричного поля, створивши електронну провідність напівпровідника.
Таким чином напівпровідникові матеріали мають провідність, за допомогою якої можна керувати напругою, температурою, освітленістю та ін.
Питомий електричний опір напівпровідників становить 10-6... 109 Ом-м.
Провідникові матеріали використовуються для проведення електричного струму. До провідників відносять речовини з питомим електричним опором р менше 10-5 Ом-м.
Діелектричні матеріали мають властивість перешкоджати протіканню струму. До діелектричних матеріалів відносять речовини з питомим електричним опором р більше 107 Ом-м. Завдяки високому питомому електричному опору їх використовують як електроізоляційні матеріали.
Залежно від структури та зовнішніх умов матеріали можуть переходити з одного класу в інший. Наприклад, тверді і рідкі метали - провідники, а пари металів — діелектрики; типові за нормальних умов напівпровідники германій та кремній при дії високого гідростатичного тиску стають провідниками; вуглець в модифікації алмазу — діелектрик, а в модифікації графіту — провідник.
Основною властивістю речовини щодо електричного поля є електропровідність, яка характеризує здатність матеріалу проводити електричний струм під дією постійного електричного поля, тобто поля, напруга якого не змінюється із часом.
Магнітні властивості матеріалів
Всі матеріали, які знаходяться у магнітному полі, мають певні магнітні властивості, які зумовлені внутрішніми формами руху електричних зарядів.
За характером взаємодії із зовнішнім магнітним полем всі електрорадіоматеріали поділяються на немагнітні та магнітні.
Немагнітні матеріали не взаємодіють з магнітним полем, тобто не набувають магнітних властивостей при дії на них магнітного поля.
Магнітні матеріали мають властивість намагнічуватися.
В ізольованому атомі електрони обертаються навколо ядра з визначеним орбітальним моментом. Одночасно електрони обертаються навколо своїх осей зі спіновими магнітними моментами. Орбітальні та спінові магнітні моменти в сумі утворюють магнітний момент атома. Магнітні властивості атома визначаються, в основному, магнітними властивостями електрона, оскільки магнітний момент електронної оболонки атома приблизно в 1000 разів більший магнітного моменту атомного ядра.
Оскільки електрони з правим та лівим обертанням мають різні напрямки магнітних моментів, то сумарний магнітний момент атома може дорівнювати нулю або відрізнятись від нуля.
Матеріали з різною електронною структурою атомів мають різні магнітні властивості.
За силою взаємодії з магнітним полем усі матеріали поділяються на слабкомагнітні (діамагнетики, парамагнетики) та сильномагнітні (феромагнетики, антиферомагиетики).
Сила взаємодії речовини з магнітним полем оцінюється безрозмірною величиною — магнітною сприйнятливістю:
kM = M/H,
де М — намагніченість речовини під впливом магнітного поля, А м-1;
Н — напруженість магнітного поля, А м-1.
Слабкомагнітні матеріали незначно змінюють свою намагніченість під впливом зовнішнього намагнічувального поля і характеризуються магнітною сприйнятливістю kM « 1.
До слабкомагнітних матеріалів відносяться діамагнетики та парамагнетики.
Діамагнетики — це матеріали, які складаються з атомів, у яких оболонки повністю заповнені електронами. Тому результуючий магнітний момент атома дорівнює нулю.
Діамагнетизм притаманний усім матеріалам і виражається тим сильніше, чим більше електронів в атомах та чим далі вони розміщені від ядра. їхні магнітні властивості проявляються завдяки повертанню електронних орбіт під впливом зовнішнього намагнічувального ноля. Завдяки цьому з’являється результуючий магнітний момент, який направлений назустріч зовнішньому полю і який ослаблює зовнішнє поле всередині діамагнетика.
До діамагнетиків відносяться більшість органічних сполук та ряд металів: мідь, срібло, золото, свинець та ін.
Парамагнетики характеризуються тим, що магнітні моменти окремих атомів парамагнетиків орієнтовані хаотично і в об’ємі твердого тіла ('компенсовані. При розміщенні цих матеріалів у магнітному полі виникає орієнтація незначного числа магнітних моментів атомів та підсилення зовнішнього поля всередині парамагнетика. Це є результатом сні впадання напрямку намагніченості парамагнетиків з напрямком зовнішнього поля. Після зняття зовнішнього магнітного поля парамагнетики зберігають незначну намагніченість.
Магнітна сприйнятливість kM = 10-2...10-5. У більшості парамагнетиків магнітна сприйнятливість значно залежить від температури, для деяких парамагнетиків (лужних металів) вона від температури не залежить, а деякі мають аномальну залежність. Від напруженості поля при нормальній температурі парамагнетична сприйнятливість залежить мало, але при температурах, близьких до температури Кюрі, парамагнетики можна перевести в стан магнітного насичення. В цілому парамагнетизм проявляється в тому, що парамагнетик «втягується» в неоднорідне магнітне поле.
До парамагнетиків відносять алюміній, платину та ін.
Сильномагнітні матеріали значно змінюють намагніченість під дією зовнішнього поля і характеризуються магнітною сприйнятливістю kM»1. До сильномагнітнпх матеріалів відносяться феромагнетики, антиферомагнетнки та феримагнетики.
Феромагнетики характеризуються наступними властивостями: здатністю сильно намагнічуватися навіть у незначних магнітних полях (kM в 103...10-5);
здатністю переходити із феромагнітного в парамагнітний стан при температурі, яка перевищує температуру Кюрі Тк, тобто здатність втрачати магнітну сприйнятливість на 3...4 порядки. Магнітна сприйнятливість kM має складну нелінійну залежність від температури і напруженості поля.
Феромагнетики відносяться до перехідних елементів, у яких порушений нормальний порядок заповнення електронних оболонок, і, як результат, атоми мають внутрішні незаповнені оболонки. Це спричинює те, що атоми цих елементів мають некомпенсований магнітний момент. У матеріалах, в яких сумарний магнітний момент атома відмінний від нуля, утворюються домени, тобто ділянки, самочинно намагнічені до насичення за відсутності зовнішнього магнітного поля. Залежно від кристалічної структури речовини домени мають різну форму. Лінійні розміри домену дорівнюють від тисячних до десятих часток міліметра. Окремі домени відділені один від одного примежовим шаром товщиною 10-2..10-8 м. Залежно від електричної взаємодії не скомпенсовані спіни сусідніх атомів встановлюються паралельно або антипаралельно. Матеріали, у яких не скомпенсовані спіни сусідніх атомів встановлюються паралельно, відносяться до феромагнетиків.
Процес намагнічування феромагнетики починається з росту найбільш сприятливо орієнтованих доменів. Такими є домени, у яких напрямки магнітних моментів близькі до напрямків напруженості намагнічувального поля. Число цих доменів збільшується в результаті зсуву меж менш сприятливо орієнтованих доменів. Після закінчення росту доменів в об’ємі кристала намагнічування матеріалу продовжується через повертання магнітних моментів доменів. При збіганні напрямків векторів магнітних моментів доменів з напрямками напруженості магнітного поля настає магнітне насичення. З подальшим підвищенням напруженості зовнішнього електромагнітного поля намагніченість матеріалу збільшується незначною мірою. При знятті зовнішнього поля вектори доменів повертаються у зворотному напрямку і матеріал розмагнічується, але не повністю.
Рис. 2. Схеми орієнтування вектора намагніченості в доменах феромагнетику: а — при відсутності зовнішнього поля; б — у слабкому полі з напруженістю H1, в — у сильному полі з напруженістю Н2; І — при насиченні (Нз = Hs)
До феромагнетиків відносять залізо, нікель, кобальт та їхні сплави, гадоліній, сплави хрому та марганцю та ін.
Антиферомагнетики — це матеріали, у яких магнітні моменти сусідніх атомів рівні, але їхні спіни розміщені антипаралельно.
Магнітна сприйнятливість антиферомагнетиків = 10-3...10-5 і відрізняється специфічною залежністю від температури.
Феримагнетики багато в чому подібні до феромагнетиків, але мають ряд відмінностей:
- вони значно поступаються феромагнетикам за значенням намагніченості насичення (граничної намагніченості);
- у багатьох випадках мають аномальну залежність намагніченості насичення Ms від температури з наявністю точки компенсації.
Природа феромагнетизму була вперше детально вивчена на феритах — сполука оксиду заліза Fе2Оз з оксидом металів, наприклад, МеОFе2Оз (де Ме++ — двовалентний метал). Магнітні властивості феромагнетиків пов’язані із взаємним розташуванням у кристалічних ґратках іонів заліза та металу.
Феромагнетики є кристалічними речовинами з доменною структурою.
Контрольні питання
- Що таке електропровідність матеріалу і якою величиною вона характеризується ?
- Яке основне призначення провідникових, напівпровідникових і діелектричних матеріалів ?
- Як поділяються матеріали за силою взаємодії з магнітним полем ?
- У чому сутність магнітної анізотропії та магнітострикції І
- Які матеріали відносять до діамагнетиків, парамагнетиков і феромагнетиків?