Электроматериаловедение: атомные связи, классы материалов и диэлектрики

Атомные связи, классы материалов и диэлектрики

Почему один материал легко проводит ток, другой служит надёжной изоляцией, а третий меняет свойства под нагревом? Ответ прячется в устройстве вещества — в том, как соединены его атомы и как выстроена внутренняя структура. Разбором этих закономерностей и занимается отдельная научная дисциплина.

С чего всё начинается: связи между атомами

Поведение любого материала во многом задаётся тем, какой тип связи удерживает его атомы вместе. Принято выделять три основных варианта, и у каждого — своя логика и свои типичные представители.

Ковалентная связь. Возникает, когда атомы образуют прочное соединение за счёт обобществления части электронов. Такой тип характерен для множества кристаллических твёрдых тел — классический пример здесь алмаз. За счёт направленного действия связи её механическая прочность очень высока.

Ионная связь. Складывается в соединениях из разнородных атомов. Внешние электроны одного элемента переходят на внешние орбиты другого, и в результате формируются устойчивые электронные конфигурации. К самым известным веществам с таким типом связи относят поваренную соль и стекло.

Металлическая связь. У металлов немало электронов, лишь слабо удерживаемых ядром. Когда атомы сближаются, электроны внешних оболочек отрываются от «своих» атомов и образуют так называемый электронный газ. Именно он задаёт ключевые металлические свойства: высокую тепло- и электропроводность. А поскольку направленных связей здесь нет, металл становится пластичным — способным менять форму без разрушения. Как раз поэтому металлы поддаются ковке, прокату и волочению.

Как классифицируют электроматериалы

Всё разнообразие электроматериалов удобно раскладывать по четырём независимым признакам.

1. По применению. Здесь материалы делят на конструкционные и электротехнические.

2. По структуре. Различают монокристаллические — однородные по всему объёму — и поликристаллические, собранные из множества кристаллических зёрен со случайной ориентацией.

3. По магнитным свойствам. Материалы бывают слабомагнитными и сильномагнитными.

• Слабомагнитные распадаются на две подгруппы. К диамагнетикам относят медь, цинк, золото, серебро, водород и инертные газы. К парамагнетикам — алюминий, платину, кислород, щелочные металлы и соли железа.
• Сильномагнитные тоже неоднородны. Ферромагнетики — это железо, никель и кобальт. Ферриты — сплавы марганца и хрома.

4. По электрическим свойствам, то есть по способности пропускать ток. Это деление опирается на понятие запрещённой зоны:

• у диэлектриков запрещённая зона настолько широка, что при обычных условиях электронная электропроводность у них отсутствует;
• у полупроводников зона узкая, и её удаётся преодолеть за счёт внешних энергетических воздействий;
• у проводников заполненная электронами зона вплотную примыкает к зоне свободных энергетических уровней, а порой и перекрывается с ней.

Диэлектрики: четыре взгляда на одну группу

Диэлектрики востребованы в самых разных отраслях промышленности, и для них существует собственная система классификации — сразу по четырём признакам.

По назначению

• изоляционные материалы;
• материалы для заполнения конденсаторов;
• активные диэлектрики — из них изготавливают миниатюрные радиоконденсаторы, вариконды и позисторы, сопротивление которых зависит от температуры.

По агрегатному состоянию

Диэлектрики встречаются в четырёх формах: твёрдые, твердеющие, жидкие и газообразные.

По химическому составу

Здесь всё просто — материалы бывают органическими и неорганическими.

По структуре

Этот признак самый разветвлённый. Выделяют три типа строения.

Молекулярная структура. Делится на две подгруппы:

• неполярные — полиэтилен, фторопласт-4, трансформаторное масло и все газы;
• полярные — целлюлоза, поливинилхлорид, хлорированные дифенилы.

Ионная структура. Тоже распадается надвое по плотности упаковки ионов:

• с плотной упаковкой — кварц, корунд, рутил, слюда и каменная соль;
• с неплотной упаковкой — фарфор, микалекс, неорганические стёкла и подобные им материалы.

Доменная структура. К ней относят титанат бария, сегнетову соль и другие вещества с похожим строением.