2. Класифікація твердих тіл

Залежно від характеру дії на тіла електричного поля їх можна розділити на провідники, діелектрики та напівпровідники. Властивості тіл і поведінка їх в електричному полі визначаються будовою і розташуванням атомів в тілах. До складу атомів входять електрично заряджені частинки: позитивні - протони, негативні - електрони. У нормальному стані атом електрично нейтральний, так як число протонів, що входять до складу ядра атома, дорівнює числу електронів, що обертаються навколо ядра й утворюють «електронні оболонки» атома. Електрони зовнішньої валентної оболонки визначають електропровідність речовини. Енергетичні рівні зовнішніх валентних електронів утворюють валентну, або заповнену зону. У цій зоні електрони перебувають у стійкому звязаному стані. Щоб звільнити будь-якої електрон цієї зони, необхідно затратити деяку енергію. Отже, електрони, що знаходяться у вільному стані, займають більш високі енергетичні рівні.Зона більш високих енергетичних рівнів, розташована вище валентної зони і відокремлена від неї забороненою зоною, обєднує незаповнені, або вільні, енергетичні рівні і називається зоною провідності або зоною збудження. Щоб електрон перенести з валентної зони в зону провідності, необхідно йому повідомити ззовні енергію. Ширина забороненої зони, яку повинен подолати електрон, щоб перейти зі стійкого стану у вільний стан (у зону провідності), є одним з головних критеріїв поділу тіл на провідники, напівпровідники і діелектрики. (Додаток № 1)

В якості провідників електричного струму можуть бути використані як тверді тіла, так і рідини, а при відповідних умовах і гази. До провідникових матеріалів в електротехніці відносяться метали, їх сплави, контактні металокерамічні композиції і електротехнічне вугілля. Найважливішими практично застосовуваними в електротехніці твердими провідниковими матеріалами є метали і їх сплави, що характеризуються електронною провідністю; основний параметр для них - питомий електричний опір в функції температури.

Електричний опір графіту з збільшенням температури проходить через мінімум з наступним поступовим підвищенням.

За родом застосування провідникові матеріали поділяються на групи:

провідники з високою провідністю - метали для проводів ліній електропередачі і для виготовлення кабелів, обмотувальних та монтажних проводів для обмоток трансформаторів, електричних машин, апаратури тощо; конструкційні матеріали - бронзи, латуні, алюмінієві сплави , які застосовують для виготовлення різних струмоведучих частин; сплави високого опору - призначені для виготовлення додаткових опорів до вимірювальних приладів, реостатів і елементів нагрівальних приладів, а також сплави для термопар, компенсаційних проводів.

Механізм проходження струму в металах зумовлений рухом (дрейфом) вільних електронів під впливом електричного поля; тому метали називають провідниками з електронною електропровідністю або провідниками першого роду.

Напівпровідниками називають речовини, питома провідність яких має проміжне значення між питомими проводимостями металів і діелектриків. Напівпровідники одночасно є поганими провідниками і поганими діелектриками. Кордон між напівпровідниками і діелектриками умовна, так як діелектрики при високих температурах можуть вести себе як напівпровідники, а чисті напівпровідники при низьких температурах ведуть себе як діелектрики. У металах концентрація електронів практично не залежить від температури, а в напівпровідниках носії заряду виникають лише при підвищенні температури або при поглинанні енергії від іншого джерела.

Типовими напівпровідниками є вуглець (C), германій (Ge) і кремній (Si).

При підвищенні температури кристала теплові коливання грати призводять до розриву деяких валентних звязків. У результаті цього частина електронів, що раніше брали участь в утворенні валентних звязків, відщеплюється і стає електронами провідності. При наявності електричного поля вони переміщуються проти поля і утворюють електричний струм.

Однак, при звільненні електрона в кристалічній решітці утворюється незаповнена міжатомних звязків. Такі «порожні» місця з відсутніми електронами звязку дістали назву «дірок». Виникнення дірок в кристалі напівпровідника створює додаткову можливість для переносу заряду. Дійсно, дірка може бути заповнена електроном, який перейшов під дією теплових коливань від сусіднього атома. У результаті на цьому місці буде відновлена ??нормальна звязок, але зате в іншому місці зявиться дірка. У цю нову дірку в свою чергу може перейти будь-якої з інших електронів звязку. Послідовне заповнення вільної звязку електронами еквівалентно руху дірки в напрямку, протилежному руху електронів. Таким чином, якщо за наявності електричного поля електрони переміщаються проти поля, то дірки будуть рухатися в напрямку поля, тобто так, як рухалися б позитивні заряди. Отже, в напівпровіднику є два типи носіїв струму - електрони і дірки, а загальна провідність напівпровідника є сумою електронної провідності (n-типу, від слова negative) і діркової провідності (p-типу, від слова positive).

Поряд з переходами електронів із звязаного стану у вільний існують зворотні переходи, при яких електрон провідності вловлюється на одне з вакантних місць електронів звязку. Цей процес називають рекомбінацією електрона і дірки. У стані рівноваги встановлюється така концентрація електронів (і рівна їй концентрація дірок), при якій число прямих і зворотних переходів в одиницю часу однаково.

Розглянутий процес провідності в чистих напівпровідниках називається власною провідністю. Власна провідність швидко зростає з підвищенням температури, і в цьому істотна відмінність напівпровідників від металів, у яких з підвищенням температури провідність зменшується.

Напівпровідникові матеріали n - і p-типів мають значно вищу провідність, ніж чисті напівпровідники. Ця провідність може бути збільшена або зменшена шляхом зміни кількості домішок.

Електроізоляційними матеріалами або діелектриками називаються речовини, за допомогою яких здійснюється ізоляція елементів або частин електроустаткування, що знаходяться під різними електричними потенціалами. У порівнянні з провідникові матеріали діелектрики володіють значно великим електричним опором. Характерною властивістю діелектриків є можливість створення в них сильних електричних полів і накопичення електричної енергії. Це властивість діелектриків використовується в електричних конденсаторах і інших пристроях. Згідно агрегатному стану діелектрики діляться на газоподібні, рідкі та тверді. Особливо великою є група твердих діелектриків (високополімера, пластмаси, кераміка)

Згідно хімічним складом діелектрики діляться на органічні і неорганічні. Основним елементом у молекулах всіх органічних діелектриків є вуглець. У неорганічних діелектриках вуглецю не міститься. За способом отримання діелектрики діляться на природні (природні) і синтетичні. Найбільш численною є група синтетичних ізоляційних матеріалів.

Численну групу твердих діелектриків зазвичай ділять на ряд підгруп в залежності від їх складу, структури та технологічних особливостей цих матеріалів. Так, виділяють керамічні діелектрики, воскоподібні, плівкові, мінеральні.

Всі діелектрики, хоча і в незначній мірі, володіють електропровідністю. На відміну від провідників у діелектриків спостерігається зміна струму з часом внаслідок спадання струму абсорбції. З деякого моменту під впливом постійного струму в діелектрику встановлюється тільки струм провідності.

При напруженості електричного поля, яка перевершує межу електричної міцності діелектрика, настає пробій. Пробій являє собою процес руйнування діелектрика, в результаті чого діелектрик втрачає електроізоляційні властивості в місці пробою.

Величину напруги, при якому відбувається пробій діелектрика, називають пробивним напругою U пр, а відповідне значення напруженості електричного поля називається електричною міцністю діелектрика E пр.

Пробій твердих діелектриків являє собою або чисто електричний процес (електрична форма пробою), або теплової процес (теплова форма пробою). Характерними ознаками електричного пробою твердих діелектриків є: незалежність або дуже слабка залежність електричної міцності діелектрика від температури і тривалості прикладеної напруги;

електрична міцність твердого діелектрика в однорідному полі не залежить від товщини діелектрика; електрична міцність твердих діелектриків знаходиться в порівняно вузьких межах: причому вона більше, ніж при тепловій формі пробою; за наявності неоднорідного поля електричний пробій відбувається в місці найбільшої напруженості поля.

Тепловий пробій має місце при підвищеній провідності твердих діелектриків і великих діелектричних втрати, а також при підігріві діелектрика сторонніми джерелами тепла. Внаслідок неоднорідності складу окремі частини обсягу діелектрика володіють підвищеною провідністю. Вони представляють собою тонкі канали, що проходять через всю товщина діелектрика. Внаслідок підвищеної щільності струму в одному з таких каналів будуть виділятись значна кількість тепла. Це спричинить за собою ще більше наростання струму внаслідок різкого зменшення опору цієї ділянки в діелектрику. Процес наростання тепла буде тривати до тих пір, поки не відбудеться теплове руйнування матеріалу (розплавлення, коксування) по всій його товщині - по ослабленому місцем.

При пробої твердих діелектриків часто спостерігаються випадки, коли до певної температури має місце електричний пробій, а потім у звязку з додатковим нагріванням діелектрика настає процес теплового пробою діелектрика.