Електроматериалознание в електротехниката и електрониката

3
С. Барудов
В. Илиев Б. Ников











Електроматериалознание в
електротехниката и електрониката














ТУ-Варна
2005

4





П Р Е Д Г О В О Р



Учебникът „Електроматериалознание в електротехниката и електрониката” е пособие по
дисциплините „Електротехнически материали” (за специалности „Електротехника” и
„Електроенергетика и електрообзавеждане”) и „Материалознание” (за специалности „Електроника”,
„Комуникационна техника и технологии” и „Автоматика, информационна и управляваща техника”).
Предназначен е за студентите от Технически университет – Варна и е съобразен със съответните учебни
програми. Дисциплините се изучават през втори семестър.
Поради началния стадий на обучението е включена Глава първа „Физични основи на
електроматериалознанието”, в която са изяснени основни електрични, магнитни и оптични величини,
зависимости между тях; разгледана е елементарна теория за строежа на веществата.
Обект на по-нататъшното изложение са: неелектрични свойства на материалите; явления в
различните видове материали (пасивни и активни диелектрици, проводници, полупроводници, магнитни
материали) и пасивни елементи (индуктивни бобини, резистори, кондензатори), техните параметри и
свойства, технология на изработване.
Пособието завършва с Приложения, съдържащи числени стойности на фундаментални
константи; физични величини, техните означения и дименсии; справочни данни за най-често
използваните електротехнически и електронни материали и пасивни елементи.
Учебникът може да бъде полезен за студентите от по-горните курсове, специалисти и инженери.
За по-задълбочено изучаване на отделните въпроси се препоръчва използването на цитираната в края на
книгата литература.
Глави ІІІ, ІV, V, VІ и VІІ са написани от доц. д-р Стефан Барудов, глави І и част от ІІ – от
Веселин Илиев, част от глава ІІ - от Борислав Ников. Общата редакция е на доц. д-р С. Барудов.
Авторите изказват най-сърдечна благодарност на рецензентите проф. д.н. инж. Димитър
Димитров и доц. д-р инж. Антон Георгиев за компетентната и прецизна работа върху ръкописа, с което
помогнаха за окончателното редактиране на учебника.
Всички забележки и препоръки, целящи подобряване на изложението при следващи издания, ще
бъдат приети с благодарност.



2005 г. Авторите

5
І. ФИЗИЧНИ ОСНОВИ НА ЕЛЕКТРОМАТЕРИАЛОЗНАНИЕТО

1. Основни понятия от електростатиката

1.1. Електричен заряд
Електричният заряд на една частица е количествена характеристика на
способността й да участва в електромагнитни взаимодействия.
Зарядът не може да се отдели от частицата, която го носи. Затова много често
вместо понятието “заредена частица” се използва терминът “заряд”, чрез който
едновременно се означават както характеристиката, така и нейният носител.
Съществуват 2 вида електрични заряди – положителни и отрицателни.
Зарядите с еднакви знаци се отблъскват, а с противоположни знаци се
привличат.
Електричният заряд се означава с Q (или q). Единицата, с която се измерва, е
Кулон (С).
Тяло, в което преобладава единият вид заряди, е наелектризирано (електрично
заредено).

1.2. Електрично поле
Едно от свойствата на електричния заряд е, че създава електрично поле в
заобикалящата го среда. Електрично заредените тела, намиращи се на някакво
разстояние едно от друго, си взаимодействат посредством създадените от тях
електрични полета. Електричното поле е особено състояние на пространството и се
характеризира с това, че върху внесен в него друг заряд действа електрична сила.
Полето на неподвижни заряди се нарича електростатично поле.
Нека електричното поле се създава от наелектризирани тела с произволна
форма и общ заряд Q. Наличието на електрично поле се установява чрез пробен заряд
Q0, който трябва да е достатъчно малък по големина и размери, за да не изменя полето,
в което се поставя. (Заряд с пренебрежимо малки размери се нарича точков).
Характеристика на електричното поле е векторната величина интензитет E
 . В
дадена точка на пространството интензитетът на електричното поле е равен на
отношението между силата F
 , с която полето действа върху пробен заряд Q0,
поместен в разглежданата точка, и големината на този заряд: 0Q
F
E



. * (1.1)
Електричното поле и неговият интензитет не зависят от големината и знака на
пробния заряд Q0 и от наличието или отсъствието му, а от заряда Q, създаващ полето, и
неговото разпределение в пространството.
Посоката на интензитета E
 съвпада с посоката на силата F
 , действаща върху
положителен пробен заряд. Ако пробният заряд е отрицателен, посоките на E
 иF
 са
противоположни. Тези твърдения са илюстрирани с примери на фиг.1.1.






* Тук и в по-нататъшното изложение вектор се означава чрез буква със стрелка над нея;
същата буква без стрелка означава числената стойност (модула) на вектора.

6 Q
+
Q
F
o
E=
F
Qo
Q Q
F
o
E=
F
Qo
Q
+ +
Q
F
o
E=
F
Qo
Q
+
Q
F
o
E=
F
Qo


фиг. 1.1

2. Сведения за строежа на веществата

2.1. Атоми

Атомът е най-малката частица на един химичен елемент; състои се от централна
сърцевина – ядро, заобиколено от орбитални елементарни частици - електрони,
разпределени в електронни слоеве (фиг. 2.1).









фиг. 2.1

Ядрото е съставено от 2 вида частици с приблизително еднакви маси – протони
и неутрони.
Електронът притежава отрицателен заряд; протонът – същия по големина
положителен заряд. Той се нарича елементарен електричен заряд и е равен на 1,6.10
-19

С.
Неутронът няма електричен заряд.
Броят на електроните в атома съвпада с номера на елемента в периодичната
система на химичните елементи. Същия е броят на протоните в ядрото. Следователно
атомът е електронеутрален.
Масата на електрона е около 1/1840 от масата на протона и на неутрона, т.е.
почти цялата маса на атома е съсредоточена в ядрото.
Един атом е зареден електрично, когато броят на електроните е по-голям или
по-малък от броя на протоните. Ако електроните в атома са повече от протоните, той е
зареден отрицателно. Ако атомът има по-малко електрони, отколкото протони, той е
зареден положително. Заредените атоми се наричат йони.
Състоянията на електроните в атома могат приблизително да се опишат като
техни движения по определени кръгови или елиптични орбити.
Съвременната физика разглежда по друг начин строежа на атома – явленията в
него се подчиняват на законите на квантовата механика. Електронът притежава
Електрон (отрицателно зареден)
Протон (положително зареден)
Неутрон (незареден неутрален) 1 електрон
1 протон
8 неутр она
+
-
Водороден атом
Кислороден атом
8 протона
8 електрона

7
вълнови свойства и движението му не бива да се разглежда като движението по
траектория. Орбитата характеризира област от пространството, където вероятността да
се намира електронът е най-голяма.
Независимо от това, тук ще бъде разглеждана теорията на датския физик Бор
(наречена “полуквантова”), която, макар и да не е истина от последна инстанция, все
още се задържа във физиката като спомагателно средство при изложение на
представите за строежа на атома, благодарение на своята нагледност и простота. Тя е
преходен етап по пътя към създаване на строга и последователна теория за атомните
явления.
През 1913 г. Бор формулира следните постулати, валидни за изолиран атом:
1. Електроните се движат в атома по определени орбити, наречени
стационарни. При движението си по такава орбита електронът има точно
определена енергия и не излъчва.
Всяка точно определена енергия на електрона се нарича енергетично ниво.
2. Атомът излъчва енергия във вид на фотон*, когато електрон преминава
от по-отдалечена към по-близка до ядрото орбита; при поглъщане на енергия
(примерно на фотон или в резултат на взаимодействие с друга частица) електрон
преминава от по-близка към по далечна орбита. Стойността на излъчената или
погълната енергия е:

W = hυ = Wm - Wn , (2.1)

където: h = 6,626.10
-34
J.s (Джаул секунда) е константа на Планк; υ - честота на
излъчения или погълнатия фотон [в херци (Hz)]; Wm, Wn - енергетични нива на
електрона, между които се извършва преходът.
Ако на даден електрон в атома се придаде достатъчно голяма енергия, той може
да се освободи от влиянието на ядрото – получава се положителен йон и свободен
електрон. Явлението се нарича йонизация.
Според теорията на Бор във водородния атом енергията на единствения му
електрон се определя от уравнението
2
n
Rh
W
,

където R = 3,29.10
15
, s
-1
е константа на Ридберг; n се нарича главно квантово число – то
е цяло положително (n = 1, 2, 3, …).
Следователно енергията на електрона в атома може да приема само точно
определени дискретни стойности, т.е. тя се квантува.
Ако се предположи, че разрешените орбити са окръжности, техните радиуси
нарастват с увеличаване на n пропорционално на n
2
(фиг. 2.2.а).






* Фотон – светлинна частица; не притежава маса в покой – съществува само в движение
със скорост, равна на скоростта на светлината.

8

а) б)
фиг. 2.2

Състоянията на електрона се характеризират с още 3 квантови числа: орбитално
квантово число l, което определя формата на орбитата; магнитно квантово число m,
определящо ориентацията на орбитата спрямо силно магнитно поле; спиново квантово
число s, определящо посоката на спина на електрона в магнитно поле. (Съгласно
представите на класическата механика спин е околоосно въртене на електрона).
В сложните многоелектронни атоми електроните се групират в слоеве. Главното
квантово число определя номера на слоя. Във всеки слой има определен брой
разрешени орбити (n
2
). На всяка орбита могат да се намират най-много по 2 електрона
с противоположни спинове. В този случай енергетичните нива на електроните зависят
не само от главното квантово число n, а и от орбиталното l и от магнитното квантово
число m.
Особено просто и нагледно енергетичните състояния на електроните в атома се
представят с енергетична диаграма. Възможните стойности на енергията W се нанасят
върху вертикална ос.
На фиг. 2.2.б построяването на енергетична диаграма е илюстрирано за
водородния атом. Енергията е в електронволти (еV). (eV – дименсия за енергия на
елементарни частици; 1 еV = 1,6.10
-19
J). Състоянията на електрона се представят с
хоризонтални линии, които изобразяват позволените енергетични нива. Енергията е
отрицателна. С увеличаване на n тя нараства. При n=∞ W=0, което съответства на
свободно състояние на електрон, несвързван с ядото.
Стационарното състояние, при което енергията на атома е минимална, се нарича
нормално или основно, а всички останали – възбудени. В нормално състояние атом,
неподложен на външни въздействия, се намира неограничено време, а във възбудено –
кратко време, обикновено от порядъка 10
-8
s.
Електроните от най-външния електронен слой (наречени валентни) се
характеризират с най-голяма стойност на главното квантово число. Те определят
химичните свойства на съответния елемент. Броят им е най-много 8.

2.2. Молекули. Макромолекули

Молекулата е най-малката частица на дадено вещество. Тя се състои от еднакви
или различни атоми, обединени в едно цяло посредством химични връзки.
Броят на атомите в молекулата е различен – от 2 до хиляди.
В голямото разнообразие от вещества молекулите могат да запазват или да не
запазват своите индивидуални особености. Например газовете при не особено високи

9
температури, много течности, молекулните кристали се състоят от молекули.
Напротив, в газовете при достатъчно високи температури, в йонните и в металните
кристали, както и в техни стопилки, няма обособени молекули.
Всяка молекула съдържа определен брой ядра с общ заряд + Q и електрони,
разпределени и движещи се по сложен начин, с общ заряд - Q. Молекула, в която
центровете на положителния и отрицателния заряд съвпадат, се нарича неполярна.
Молекула, в която центровете на положителния и отрицателния заряд са разделени, се
нарича полярна или дипол. (Понятието “дипол” е по-общо – диполъ