Классификация материалов по электрическим свойствам

В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры на электрорадиоматериалы воздействуют электрическое и магнитное поля в отдельности и совместно. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.
Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел. Сущность этой теории состоит в следующем.
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 Е на другой свободный уровень (рис.1.1,а).

Рис.1.1 Диаграммы энергетических уровней атома (а) и твердого тела (б)

Для этого электрону необходимо сообщить дополнительную энергию ΔЕ = Е1-Е2. 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 (рис.1.1,б). При этом расщепляются свободные и заполненные энергетические уровни. Зона, заполненная электронами, называется валентной. Верхний уровень валентной зоны обозначен Еv рис.1.2).
Свободная зона называется зоной проводимости. Нижний уровень зоны проводимости обозначен Еc. Промежуток между валентной зоной и зоной проводимости называют запрещенной (запретной) зоной ΔЕ. Значение запрещенной зоны существенно влияет на свойства материалов.
Если ΔЕ равна или близка к нулю (рис.1.2,а), 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.
Если значение запрещенной зоны превышает несколько электрон-вольт (эВ), то для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия (рис1.2,в). Такие вещества относят к диэлектрикам. Диэлектрики имеют высокое удельное сопротивление.

Рис.1.2 Энергетические диаграммы проводников (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в)

Если значения запрещенной зоны составляют 0,1…0,3 эВ (рис.1.2,б), то электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимости за счет внешней энергии. Такие вещества относят к полупроводникам.
Обычно к проводникам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением r менее 10-5 Ом·м. К диэлектрикам относят вещества с r > 107 Ом·м. Их используют в качестве электроизоляционных материалов. Удельное электрическое сопротивление полупроводников составляет 10-6 …109 Ом·м. Проводимостью их можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и др.
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.

Классификация материалов 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 электрорадиоматериалы подразделяются на немагнитные и магнитные.
Немагнитные материалы не взаимодействуют с магнитным полем, т.е. не приобретают магнитных свойств при воздействии на них магнитного поля.
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 слабомагнитные (диамагнетики, парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики).
Слабомагнитные материалы незначительно меняют свою намагниченность под действием внешнего намагничивающего поля.
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.
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 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.
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.