Общие сведения о строении вещества

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие сведения о строении вещества

Виды химической связи

Основные элементарные частицы, из которых состоят все вещества - электроны, протоны и нейтроны. Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра, электроны заполняют оболочки атомов, компенсируя заряд положительного ядра. Электроны на внешней оболочке атома - валентные, определяют химические свойства атома.

Ковалентная связь. Это связь атомов друг с другом за счет электронов, которые становятся общими для этой пары атомов

В неполярной молекуле с ковалентной связью центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. В полярной молекуле с ковалентной связью (рисунок 1.2) центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга.

Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом, который определяется произведением заряда q на расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов l

P = q*l

Энергия ионизации W -- это то количество энергии, которое нужно затратить, чтобы перевести нейтральный атом (молекулу) в положительно заряженный ион.

Ионная связь. Возникает за счет электростатического притяжения положительно и отрицательно заряженных ионов.

Металлическая связь. Существует в системах, построенных из положительно заряженных атомных остовов в узлах решетки, находящихся в среде свободных коллективизированных (валентных) электронов («электронного газа»).

Молекулярная связь (Ван-дер-Ваальса). Наблюдается у ряда веществ между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями.

Многократно повторяющимся элементом кристаллической решетки является элементарная (кристаллографическая) ячейка, вершины которой называют узлами, а расстояние между двумя соседними узлами -- периодом или постоянной решетки

Характерная особенность кристаллических тел -- анизотропия их свойств, которая значительно проявляется только у монокристаллов.

Монокристалл -- это огромное число одинаково ориентированных элементарных ячеек, т.е. это большой одиночный кристалл. Большинство кристаллических веществ являются поликристаллическими. Они состоят из множества сросшихся кристаллитов (зерен), не имеющих одинаковой ориентации и поэтому проявляют изотропность физических свойств.

Текстурирование -- это некоторая упорядоченность в ориентации кристаллических зерен, достигаемая специальной обработкой (например, прокаткой) поликристаллических материалов.

Аморфные тела - твердые тела со случайным хаотичным расположением частиц. В отличие от кристаллов изотропны по свойствам, не имеют определенной температуры плавления (т.е. есть их интервал), характеризуются широким интервалом размягчения. Стекла - разновидность аморфных веществ, имеющих некоторый ближний порядок.

Классификация веществ по электрическим свойствам. Элементы зонной теории твердого тела.

Отдельные атомы какого-либо вещества имеют дискретный энергетический спектр, то есть электроны в этих атомах могут занимать лишь вполне определенные энергетические уровни. В газообразном веществе все атомы достаточно сильно удалены друг от друга. При образовании кристаллической решетки твердого тела все электронные уровни у данного типа атомов несколько смещаются из-за действия соседних атомов друг на друга, и из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется их целая полоса - зона энергетических уровней. То есть при обменном взаимодействии электронов энергетические уровни расщепляются.

Самая верхняя из заполненных электронами зон - валентная зона. Ближайшая к ней незаполненная электронами зона - зона проводимости. Эти зоны отделены друг от друга запрещенной зоной, в которой электроны находиться не могут (рисунок 1.5).

Проводники - запрещенная зона практически отсутствует. Валентная зона вплотную прилегает к зоне проводимости или даже перекрывается ею, вследствие чего электроны в металле свободны. Удельное электрическое сопротивление проводников rv<10-5 Ом*м. Отличительное свойство - сильно выраженная электропроводность.

Отличительное свойство - сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей и дефектов в материале, а также от внешних воздействий (температуры, света, электрических и магнитных полей…).

Диэлектрики- вещества самой широкой запрещенной зоной (более 3 эв) и с самым большим удельным электрическим сопротивлением (rv > 108 Ом*м). Отличительное свойство - способность к поляризации и возможность существования в этих материалах электростатического поля.

Часть электронов при энергетическом воздействии перебрасывается (через запрещенную зону) из валентной зоны в зону проводимости и, становясь свободными, электроны могут перемещаться под действием электрического поля, создавая электронную проводимость материала.

В валентной зоне, откуда ушел электрон, образуется так называемая «дырка» - энергетическая вакансия, которая ведет себя во внешнем электрическом поле как положительный заряд, то есть двигается в противоположную от электрона сторону (по направлению поля) и в полупроводнике происходит эстафетное движение электронов, заполняющих образующиеся дырки.

Электроны из зоны проводимости могут возвращаться в валентную зону, то есть рекомбинировать с дырками.

Классификация электротехнических материалов.

Проводниками электрического тока могут служить твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода.

К металлам относят пластичные вещества с характерным для них блеском, которые хорошо проводят электрический ток и теплоту. Среди материалов электронной техники металлы занимают одно из важнейших мест.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет --39°С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть применена только ртуть. Температуру плавления, близкую к нормальной (29,8°С), имеет еще галлий. Другие металлы являются жидкими проводниками лишь при повышенных или высоких температурах.

Механизм прохождения тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Электролитами, или проводниками второго рода, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей, а также расплавы ионных соединений. Прохождение тока через такие проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекул (ионов), в результате чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. ковалентный связь молекула кристаллический

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля выше некоторого критического значения, обеспечивающего начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником, обладающим электронной и ионной электропроводностями. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую равновесную проводящую среду, называемую плазмой.

Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т. п.).

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением, теплоты.

При применении диэлектриков -- одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов -- довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т.е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных емкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Неполярными диэлектриками являются газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, обладающие в основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.

Полярные (дипольные) диэлектрики -- это органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации. К ним относятся нитробензол, кремнийорганические соединения, фенолформальдегидные смолы, эпоксидные компаунды, хлорированные углеводороды, капрон и др.

По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяют на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли особенно широкое применение в технике благодаря их магнитным свойствам.

Рис.1. Ориентация магнитных моментов соседних атомов при 0°К в веществах разной магнитной природы

По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабомагнитным или практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие полупроводящие и практически непроводящие, что определяет частотный диапазон их применения.

Размещено на Allbest.ru