Общие сведения об электротехнических материалах

Раздел 1: Общие сведения об электротехнических материалах

14. Нарисуйте и объясните энергетические диаграммы для разных
групп электротехнических материалов?
Характер энергетического спектра у твердых электротехнических
материалов - металлических проводников, полупроводников и диэлектриков
различен. В металлических проводниках валентная зона заполнена не
полностью или перекрывается с зоной проводимости.
В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости и валентная
зона разделены некоторым энергетическим зазором, называемым
запрещенной зоной. Формально к полупроводникам относят вещества, у
которых запрещенная зона меньше ЗэВ. Вещества с более широкой
запрещенной зоной относят к диэлектрикам.
На практике, у диэлектриков, применяемых в электроэнергетическом
оборудовании ширина запрещенной зоны может достигать 10эВ. Различие
схем энергетических зон у диэлектриков, полупроводников и металлических
проводников показано на рисунке 1.
Согласно зонной теории, электроны валентной зоны имеют
одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того,
являются ли они металлами или диэлектриками.
Движение осуществляется путем туннельного перехода электронов от
атома к атому. Электрические свойства данных материалов, определяют по
реакции электронов на внешнее электрическое поле.
Внешнее электрическое поле стремится нарушить симметрию в
распределении электронов по скоростям, ускоряя электроны, движущиеся в
направлении действующих электрических сил, и замедляя частицы с
противоположно направленным импульсом. Подобное ускорение и
замедление связано с изменением энергии электронов, что должно
сопровождаться переходом их в новые квантовые состояния.

Такие переходы осуществляются в том случае, если в энергетической
зоне материала имеются свободные уровни. Добавочная энергия,
приобретаемая электронами на длине свободного пробега, составляет
(10 8 ...10 4 ) эВ, т. е. намного превосходит расстояние между подуровнями в
зоне.
В металлических проводниках, где зона не полностью укомплектована
электронами, даже слабое поле способно сообщить электронам импульс,
чтобы вызвать их переход на близлежащие свободные уровни. По этой
причине металлы хорошие проводники электрического тока.
В идеальном случае, в полупроводниках и диэлектриках при
абсолютной температуре ОК все электроны находятся в валентной зоне, а
зона проводимости абсолютно свободна. Электроны полностью заполненной
зоны не могут принимать участия в создании электрического тока.
Для появления электропроводности необходимо часть электронов
перевести из валентной зоны в зону проводимости. Энергии электрического
поля недостаточно для осуществления такого перехода, требуется более
сильное энергетическое воздействие, например, нагревание твердого тела.
Средняя кинетическая энергия тепловых колебаний атомов в
кристаллической решетке приблизительно равна (3/2) кТ. При комнатной
температуре эта величина составляет приблизительно 0, МэВ, что
существенно меньше ширины запрещенной зоны ЛЭ.
В твердом теле тепловая энергия неравномерно распределяется между
частицами, и в каждый момент времени имеется небольшое число атомов, у
которых амплитуда и энергия тепловых колебаний значительно превышают
среднее значение.
В процессе тепловых колебаний атомы взаимодействуют не только
друг с другом, но и с электронами, передавая им часть тепловой энергии. За
счет тепловых флуктуаций