close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ/3 ЛЕКЦИИ/Т1.Л2.Связи

код для вставкиСкачать
Электроэнергетический факультет
Кафедра электроснабжения и
эксплуатации электрооборудования
Учебная дисциплина
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ
ТЕМА № 1
Электротехнические материалы на
основе металлов
ЛЕКЦИЯ № 2
Строение электротехнических
материалов
Учебные цели
1. Знать виды химической связи.
2. Знать основные энергетические
диаграммы и зоны твердых ЭТМ.
Учебные вопросы
Введение
1. Виды химической связи веществ.
2. Энергетические диаграммы
твердых материалов.
3. Энергетические зоны твердых ЭТМ.
Заключение
Список рекомендуемой литературы
1. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с.
2. Привалов Е.Е. , Гальвас А.В.
Электротехнические материалы: Пособие.
СтГАУ, АГРУС, 2011. – 192с.
3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ,
АГРУС, 2012. – 196с.
4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред.
Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат
Т.1,1986 – 308с.;Т.2,1987. – 296с.; Т.3,1988 –
728с.
Введение
ЭТМ - ключевое звено, определяющее успех
инженерных решений при создании надежных
и эффективных электроустановок (ЭУ).
Например, современные проводниковые
материалы должны обладать высокой
электрической проводимостью, быть
прочными и коррозионно-устойчивыми.
Инженерам необходимы знания о
закономерностях поведения материалов в
различных условиях эксплуатации ЭУ.
1. Виды химической связи веществ
Основными элементарными частицами
являются протоны, нейтроны и электроны.
Планетарная модель атома водорода электрон вращается по орбите вокруг ядра
показана на (рисунке 1,а).
В квантовой механике движение электрона
описывается волновой функцией.
Заряд электрона диффузно распределен,
образуя размытое облако (рисунок 1,б).
Рисунок 1 – Структура атома и молекулы водорода:
а – планетарная модель атома;
б – квантомеханическая модель электронной
структуры двух уединенных атомов;
в – квантомеханическая модель электронной
структуры молекулы водорода
Газы, жидкие и твердые тела состоят из
атомов, молекул или ионов.
Химические свойства атомов определяются
строением внешней, не полностью заполненной
электронами оболочки.
Электроны, находящиеся во внешней
оболочке, называют валентными.
Типы химической связи
1. Гомеополярная (ковалентная) связь
(рисунок 1, в), объединение атомов в молекулу - за
счет электронов, общих для пар атомов.
Молекулы с гомеополярной связью неполярные (полярные) с симметричным
(асимметричным) строением.
Неполярные - молекулы у которых центры
(+) и (-) зарядов совпадают.
Если центры (+) и (-) зарядов не совпадают
и находятся на расстоянии друг от друга, то
молекулы полярные или дипольные.
Рисунок 2 – Схемы неполярной (симметричной)
и полярной (несимметричной) молекул
Дипольный момент - произведение заряда q
на расстояние между центрами (+) и (-) зарядов l:
p=ql
(1)
где q = 2∙10-19 Кл, l = (1…3)∙10-1Ом.
Дипольный момент p = (5∙10-29…10-30 )Кл м.
Гомеополярная связь типична для
органических молекул. Данную связь наблюдают и
у неорганических твердых веществ, если их
решетки состоят из атомов (алмаз, кремний,
германий, карбид кремния). Характеризуется
высокой прочностью.
2. Гетерополярная (ионная) связь возникает при:
•переходе валентных электронов от
металлического атома к металлоидному;
•электростатическом притяжении (+) и (-)
заряженных ионов друг к другу.
Реализуется в ионных кристаллах (галоидные
соли щелочных металлов).
Ионные решетки имеют высокое
координационное число - количество ближайших
(+) и (-) ионов.
Рисунок 3 – Структуры и плотная упаковка
ионов хлористого натрия (а) и неплотная
упаковка ионов хлористого цезия (а)
3. Металлическая связь бывает в системах,
построенных из (+) атомных остовов, в среде
свободных электронов (рисунок 4,а).
Притяжение между (+) атомными остовами и
электронами обеспечивает целостность металла.
Специфика связи - в обобществлении
электронов участвуют все атомы кристалла.
Обобществленные электроны свободно
перемещаются внутри всей кристаллической
решетки, образуя «электронный газ».
Рисунок 4 – Схема строения металлического
проводника (а) и образования
межмолекулярной связи (б)
4. Молекулярная связь есть у всех веществ с
ковалентным характером взаимодействия.
Межмолекулярное притяжение возможно при
согласованном движении валентных электронов в
молекулах (рисунок 4, б).
Связь универсальная, но слабая, возникает
между любыми частицами. Энергия связи на два
порядка ниже чем у ионной и ковалентной связей.
Связь проявляются в тех случаях, когда
возникает притяжение между атомами или
молекулами. Легко разрушается тепловым
движением.
2. Энергетическая диаграмма твердых
материалов
Зонная теория твердого тела - теория
валентных электронов, движущихся в
периодическом потенциальном электрическом
поле кристаллической решетки ЭТМ.
Энергетическая диаграмма.
Атомы имеют разный энергетический спектр
и их электроны занимают определенные
нормальные энергетические уровни (рисунок 5, а).
Рисунок 5 – Схема расположения энергетических
уровней: а – уединенного атома;
б - неметаллического твердого тела
Часть уровней заполнена при невозбужденном
состоянии атома, а на других уровнях электроны
могут находиться если атом возбужден.
Стремясь к устойчивому состоянию, атом
излучает избыток энергии в момент перехода
электронов на невозбужденные уровни.
Обменное взаимодействие.
При образовании решетки все электронные
уровни смещаются, перекрываются электронные
оболочки и изменяется характер их движения.
В результате, электроны без изменения
энергии (посредством обмена) переходят от одного
атома к другому, т. е. перемещаются по кристаллу.
Энергетические зоны.
Уровни изолированного атома расщепляются
на энергетические зоны (рисунок 5, б).
Разрешенные зоны разделены запрещенными (без
электронов) особыми зонами.
Каждая зона состоит из множества условных
энергетических уровней, а их количество
определяется числом атомов, составляющих
твердое тело.
Достаточно малого энергетического
воздействия, чтобы вызвать переход электронов с
одного уровня на другой, если они свободные.
Распределение электронов.
Энергетические зоны могут быть полностью
или частично заполненные, а также свободные от
электронов.
Заполненную парами электронов зону
называют валентной, а незаполненную - зоной
проводимости.
Взаимное положение зон проводимости,
запрещенной и валентной определяет процессы,
происходящие в твердом теле (металле).
3. Энергетические зоны ЭТМ
В металлических проводниках нижняя
валентная зона заполнена не полностью или
частично перекрывается зоной проводимости, а
запрещенной зоны нет.
В полупроводниках и диэлектриках зона
проводимости и валентная зона разделены
энергетическим зазором -запрещенной зоной.
У полупроводников ширина запрещенной
зоны (1…3)эВ, а у диэлектриков зона достигает
(10…12)эВ.
Согласно зонной теории, электроны
валентной зоны имеют одинаковую свободу
движения в твердых телах (проводники,
полупроводники и диэлектрики).
Движение частиц в веществах может
происходить путем туннельного перехода
электронов от атома к атому твердого тела.
Схемы энергетических уровней твердых тел:
•диэлектрика;
•полупроводника;
•проводника
Рисунок 6 – Схемы энергетических уровней:
а - диэлектрика; б - полупроводника;
в - проводника (1 - заполненная электронами зона,
2 - свободная зона, 3 - запрещенная зона)
В твердых металлах слабое электрическое
поле сообщает электронам импульс, который
вызывает их переход на свободные уровни зоны
проводимости, поэтому металлы хорошие
проводники электрического тока.
У диэлектриков запрещенная зона велика и
электронная проводимость не играет главной роли
в движении электронов.
При каждом переходе электронов в зону
проводимости появляются «дырки» и электроны
валентной зоны могут совершать эстафетные
переходы с низкого уровня на высокий уровень.
Примеси и точечные дефекты в твердом теле
создают особые вредные энергетические уровни.
Если примесные атомы (дефекты) находятся
далеко друг от друга, то и их уровни дискретны.
Дискретные энергетические уровни примесей
расщепляются в энергетическую зону примесных
состояний, способную обеспечить вредную
электрическую проводимость в полупроводнике
или диэлектрике.
Выводы.
Зонная теория применима к твердым телам с
ковалентными и металлическими связями.
Разделение на проводники, полупроводники и
диэлектрики по особым зонам носит условный
характер.
Если у полупроводников запрещенная зона
более 3эВ, то деление ЭТМ на полупроводники
и диэлектрики проблематично.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа