Міністерство освіти i науки України

Херсонський політехнічний коледж

Одеського національного політехнічного університету

На правах рукопису

Кириллов Олег Леонідович

УДК 629.123.4.56:537.2.001.25

КОНСПЕКТ

по предметах:

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ

і ЕЛЕКТРОРАДІОМАТЕРИАЛИ

для груп: 231-232

вищих навчальних закладів

І рівня акредитації:

Спеціальності:

№ 5.0107010 - Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств і цивільних споруд;

м. Херсон - 2010 р.

ЗМІСТ:

I.1.2. Властивості металів і сплавів 8

ЗАГАЛЬНІ ПОНЯТТЯ БУДІВЛІ РЕЧОВИНИ.

ПЛАН

І. Види хімічного зв'язку;

ІІ. Особливості будівлі твердих тіл;

ІІІ. Елементи зонної теорії твердого тіла.

І. Види хімічного зв'язку.

Основні частки речовини - електрони, протони, нейтрони. Протони і нейтрони складають ядро атома, електрони компенсують заряд ядра і заповнюють оболонку атома.

У квантовій механіці рух електрона описується хвильовою функцією, яка в ізольованому атомі володіє сферичною симетрією так, що заряд електрона дифузно розподілений, і утворює розмиту хмару. Відповідно з законом про мінімальну потенційну енергію системи електрон переходить у стан низької енергії стрибком, або послідовними переходами з затримками на проміжних рівнях. При цих переходах випромінюються кванти енергії, що дорівнюють різниці енергій рівнів.

Атом має розміри 1A = 10^-10 м

• розмір (+) іона менше атома,

• розмір (-) іона більше атома.

При зближенні атомів до відстані декількох ангстрем (A) між ними з'являються сили взаємодії. У залежності від характеру руху електронів у сусідніх атомах ці сили можуть бути або притягання, або відштовхування. Якщо атоми притягаються вони можуть з'єднатися і утворити стійке хімічне з'єднання (з виділенням енергії). Електрони внутрішніх оболонок (шарів) не беруть участь у цьому процесі.

У хімічних взаємодіях беруть участь атоми, у яких зовнішні шари не цілком заповнені. Електрони в них називають - валентними.

Розрізняють наступні види хімічного зв'язку:

• Гемеополярна (ковалентна);

• Гетерополярна (іонна);

• Металевий зв'язок;

• Молекулярний зв'язок.

Гемеополярна (ковалентна) – у речовин об'єднання в молекулу утворюється за рахунок електронів, що стають загальними для пар атомів. В зв'язку з цим відбувається перерозподіл електронної щільності і зміна енергії системи

Н [відбувається втягування електронних хмар у простір між ядрами].

| Це приводить до виникнення сил притягання. Зв'язок буде сильним в тім

H -- C -- H випадку, якщо спини електронів протилежних атомів антипаралельні.

| В молекулі немає дипольного моменту P = 0.

H

Молекули даного зв'язку бувають полярними (дипольними) і неполярними.

Н Якщо центри (+) і (-) зарядів збігаються то молекули неполярні,

| якщо центри не збігаються, то молекули полярні чи дипольні.

H -- C -- H Така молекула визначається дипольним моментом P = q*l.

| де: q = 2*10^-19 Кл - заряд;

Сl l = (1...3)*10^-10 м - відстань.

Зв'язок типовий для органічних молекул, хоча спостерігається і у твердих речовинах неорганічної будівлі типу алмаз, германій, кремній.

Гетерополярна (іонна) - виходить у наслідок переходу валентних електронів від металевого атома до металоїдного (електростатичного притягання різнойменно заряджених іонів друг до друга). Наприклад: іонні кристали.

Металевий зв'язок - система, яка побудована з розташованих у вузлах ґрат позитивно заряджених атомних кістяків, що знаходяться в середовищі вільних електронів.

Ці усуспільнені електрони не локалізуються поблизу своїх атомів, а переміщуються по всім ґратам, утворюючи електронний газ. У зв'язку з цим метали мають гарну теплопровідність і електропровідністю, характерний блиск і не руйнуються при зміні положення атомів.

Молекулярний зв'язок - (Ван-Дер-Ваальса) зв'язок між молекулами і ковалентними молекулярними зв'язками в середині, міжмолекулярне притягання обумовлюється погодженим рухом валентних електронів у сусідніх молекулах. У будь-який момент часу електрони максимально вилучені друг від друга і максимально наближені до позитивних зарядів. При цьому сили притягання електронів позитивними кістяками сусідніх молекул, сильніше сил взаємного відштовхування зовнішніх орбіт (електронів на них). Спостерігається між молекулами парафіну, воску і т. ін.

ІІ. Особливості будівлі твердих тіл.

КРИСТАЛИ - являють собою основу періодичності структури у твердих тілах. Російський вчений Е.С.Федоров, майже за 40 років до відкриття рентгеноструктурного аналізу, розрахував можливі розташування часток у кришталевих ґратах. Геометрично можливі тільки 14 різних просторих ґрат, що є основою шести кристалічних систем:

• триклинна;

• моноклінна;

• ромбічна (орторомбічна);

• гексагональна;

• тетрагональна;

• кубічна.

Кристали можуть бути у виді:

• окремих великих кристалів - монокристалів;

• сукупності великого числа дрібних кристаликів (зерен);

• полікристалів, що характеризуються в межах кожного зерна періодичним розташуванням, а на межі зерен періодичність порушується.

МОНОКРИСТАЛИ - характеризуються анізотропією властивостей, а Полікристали - у більшості випадків не мають ці властивості.

Оцінка властивостей в основному ведеться по індексах визначення кристалографічних площин розробленим вченим Міллером.

Будь-яке тверде тіло неоднорідне по своїй структурі і має різні включення, або порожнечі (відсутності зв'язків). Ці елементи структури описані як дефекти.

ДЕФЕКТИ в будівлі твердих речовин обумовлені різними причинами. Вони можуть бути:

• Статичними - постійними, що містяться в структурі.

Бувають:

• крапковими -

вкорення - коли атом речовини упроваджений в міжвузля ґрат;

заміщення - викликаний появою вакансій у структурах, зсувом атомів в вузлах ґрат;

вакансії – коли є відсутній атом, або зв'язок в структурі;

• протяжними -

дислокації, пори, тріщини, границі зерен, заміна однієї речовини - іншою;

• Динамічними – що виникають в наслідок зовнішніх впливів і тривають до моменту зняття цих впливів. До них відносні фонони - тимчасові перекручування регулярності ґрат, які викликаються тепловим рухом атомів.

Деякі речовини мають здатність утворювати не одну, а дві і більше кристалічних структур. Вони стійкі навіть при визначених діапазонах температури, а ця їх властивість називається Поліморфізмом. Отримані структури звуться поліморфними формами, або алотропними модифікаціями речовини.

Деякі тверді тіла мають і аморфну структуру, які здебільшого є природними. Наприклад - скло. Скло можливо порівнювати з рідиною, дуже високої в'язкості.

ІІІ. Елементи зонної теорії твердого тіла.

Зонна теорія є основою опису механізму різних явищ, що виникають у твердих тілах. В її основі лежить поводження валентних електронів у поле кристалічних структур. Окремі атоми тіл мають дискретний енергетичний спектр -> тобто їхні електрони займають визначені енергетичні рівні. В атомі рівні не усі заповнені. Коли атом одержує додаткову енергію електрони переходять на більш високі енергетичні рівні, витрачаючи отриману енергію. Прагнучи до стійкого стану атом виділяє зовні надлишкову енергію з поверненням електронів на своє енергетичне місце.

При взаємодії атомів варто враховувати стан речовини:

• Газоподібне - характеризується віддаленістю атомів і їхня взаємодія між собою може бути викликана тільки дуже могутнім зовнішнім впливом (наприклад - розряд енергії!);

• Рідке - характеризується більш близьким розташуванням атомів і їхня взаємодія вимагає менших витрат зовнішньої енергії;

• Тверде - характеризується активною взаємодією атомів на близьких відстанях. При цьому електронні оболонки атомів, які взаємодіють, взаємно перекриваються, а обмін енергією відбувається квантовим засобом, від атому до атому, як би по ланцюжку. Основа даного процесу – передавання енергії (цим пояснюється швидке нагрівання металів і т.д.).

У наслідку обмінної взаємодії дискретні енергетичні рівні атомів як би розщеплені на окремі зони. В основному їх три:

Валентна - зона заповнена електронами. Відповідно до принципу розподілу Паулі, на кожному енергетичному рівні знаходиться 2 електрони з протилежними спинами /напрямок обертання навколо вісі свого руху/. Самий віддалений від ядра рівень, відповідний енергетичному рівню зовнішньої оболонки ізольованого атома;

Заборонена - зона визначена рівнем енергії, яку необхідно надати атому з зовні, що б витягти з оболонки електрон;

Провідності - найближча вільна, незаповнена електронами зона - рівень енергії що дозволяє електронам залишати атом.

В залежності від виду зони матеріали і класифікуються на:

ДІЕЛЕКТРИКИ;

НАПІВПРОВІДНИКИ;

ПРОВІДНИКИ.

Що стосується МАГНІТНИХ матеріалів, те їхні особливості і властивості визначені поводженням спинів електронів в атомах.

Джерела:

Л1-стр. 9-14, 15-19, 19-26

Л2-стр. 9-11, 11-13, 13-16

Л3-стр. 7-11

Л4-стр. 68-70

КЛАСИФІКАЦІЯ МАТЕРІАЛІВ

ПЛАН

1. Електротехнічні матеріали;

2. Конструкційні матеріали;

3. Матеріали спеціального призначення.