Материал: Учебное пособие ЭТМ

3.1.5. Водородная связь

Водородная связь (Н-связь) возникает между двумя электроотрицательными атомами через атом водорода (рис. 3.7). Ее суть заключается в следующем. Атом водорода, ковалентно связанный с электроотрицательным атомом (например, кислородом), несет относительно высокий положительный заряд и электростатически притягивается электроотрицательным атомом другой молекулы с образованием водородной связи.

Рис. 3.7. Схема водородной связи

Комплекс, имеющий Н-связь, рассматривается, как система с наиболее энергетически выгодным расположением электронов. Возможность образования Н-связи во многом определяется малым размером атома водорода, позволяющим подойти к другим атомам на очень близкое расстояние. Энергия водородной связи зависит от электроотрицательности атомов и характерна для групп типа: - ОН, -NH и др. Для образования водородной связи электроотрицательные атомы должны

слабым и средним, но и они достаточно сильны (особенно в целлюлозе).

3.2. ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Электроны в атоме могут занимать только определенные разрешенные орбиты. Иными словами, электроны находятся на определенных энергетических уровнях, что иллюстрируется энергетической

38

диаграммой (рис. 3.8). При этом, чем дальше от атомного ядра находится электрон, тем больше его энергия.

Согласно принципу Паули, сформулированному крупнейшим физиком-теоретиком ХХ века В. Паули, на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов с антипараллельными спинами. Подобное утверждение вытекает из общей формулировки принципа Паули: в любом заданном состоянии может находиться не более одного электрона, определенного квантовыми числами: l, n, m, s. l, n, m — определяют орбиту электрона в атоме; s — определяет спин электрона (↓↑).

Если в случае изолированного атома электроны занимают определенные энергетические уровни, то в твердом теле вследствие взаимного влияния всей совокупности электронов уровни расщепляются на подуровни и образуются зоны — заполненная (валентная), запрещенная (энергетическая щель) и свободная (зона проводимости) (рис. 3.8).

Электрон в свободной зоне более слабо связан с ядром, т. е. он «квазисвободен». Отсюда следует второе название зоны — « зона проводимости». Зоны могут перекрываться или заполняться частично, что характерно для проводников, имеющих высокую концентрацию квазисвободных электронов.

Рис. 3.8. Энергетическая диаграмма для изолированного атома и для твердого тела: N — количество атомов

Ширина запрещенной зоны ( W) важная характеристика материала. W измеряется в электрон-вольтах [эВ]. 1 эВ = 1,6·10- 19 Дж —

39

это энергия, которую приобретает электрон, проходя в пространстве расстояние между точками, разность потенциалов которых равна 1 В. По величине W электротехнические материалы можно разделить на проводники, полупроводники и диэлектрики (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Энергетические диаграммы для ЭТМ: n — концентрация квазисвободных электронов

В табл. 3.2 представлены сводные данные, характеризующие ЭТМ с учетом W и классификации по поведению ЭТМ в электрическом поле.

40

органические (соединения углерода, которые могут содержать водород, азот, кислород, серу и т. д.);

неорганические (кварц, стекло, керамика, мрамор, слюда); композиционные или составные, т. е. состоящие из органическо-

го связующего и органического или неорганического наполнителя, например, гетинакс, текстолит, стеклотекстолит лакоткань.

Классификация диэлектриков по агрегатному состоянию: газообразные (углеводороды, например, метан СН4, а также не-

органические газы); жидкие (например, нефтяные масла, такие как трансформатор-

ное, кабельное и конденсаторное); твердые (высокомолекулярные вещества — смолы и полимеры,

атакже керамика, стекло и слюда).

4.2.СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

4.2.1. Поляризация

Поляризация — процесс ограниченного смещения связанных электрических зарядов под действием электрического поля, при этом электрический момент диэлектрика становится не равным нулю.

Количественной характеристикой интенсивности процесса поляризации служит дипольный момент единицы объема диэлектрика, который называется поляризованностью:

42