Без знания физической и химической структуры изоляционных материалов трудно понять свойства и поведение изоляции. Сложные процессы, происходящие в изоляционных материалах, можно объяснить, лишь изучив их свойства на основе методов современной атомной физики.
Строение атома
Важные с точки зрения изоляционной техники явления можно представить с помощью атомной модели Резерфорда-Бора, согласно которой нейтральный атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.
Простейшим является атом водорода, вокруг ядра которого вращается один электрон. В первом приближении можно полагать, что состояние динамического равновесия такой системы наступает при равенстве центробежной силы, действующей на электрон, и силы притяжения между ядром и электроном.
Понимание структуры электронных оболочек имеет чрезвычайно большое значение потому, что с ее помощью можно дать объяснение значительной части химических и физических свойств веществ.
Атомы, а в них и электроны находятся во взаимодействии с окружающей средой, другими корпускулярными частицами и сталкиваются с фотонами излучений, при этом они могут приобретать или отдавать энергию.
В нормальном (невозбужденном) состоянии электроны внутри атомов располагаются на уровнях, соответствующих минимальной энергии атома.
Если электрону сообщить энергию, величина которой определяется квантовыми условиями, то его состояние изменится.
Атомы не находятся в состоянии покоя, а движутся в соответствии с их тепловой энергией. Движение свободного атома обладает шестью степенями свободы и ограничивается окружающей средой.
Такое ограничение вызывается силовыми полями окружающих атомов и внешними полями. Это, с одной стороны, приводит к соединению атомов в молекулы, с другой — вызывает изменение агрегатного состояния вещества.
Подробнее смотрите здесь: Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны
Строение молекулы
Сближение двух атомов вызывает различные эффекты: их ядра отталкиваются друг от друга, но притягивают электроны другого атома.
Электроны, принадлежащие этим атомам, отталкиваются. Если в результате этих взаимодействий движение внешних электронов изменится так, что их энергия станет меньшей, чем в самостоятельном атоме, то между атомами возникнет связь.
Атомы, составляющие молекулы, сдерживаются так называемыми силами химических связей. Здесь различают три предельных случая.
Ионная связь возникает, когда связываются ионы, имеющие противоположный заряд. Связь обеспечивается электростатическими силами зарядов. Такая же связь образуется между электроотрицательными и электроположительными атомами с одинаковыми валентностями. Энергия связи составляет от 6 до 40 эв.
Атомная связь может возникнуть между атомами идентичного сродства, если на внешней электронной оболочке есть валентные электроны. В таком случае при сближении атомов каждый из них делится с соседними атомами одним или несколькими внешними электронами, которые затем становятся общими.
Такую форму связи называют гомеополярной или ковалентной. Связь обеспечивается энергией обменного взаимодействия. Величина энергии такого же порядка, как и при ионной связи.
Третьим видом связи является связь, свойственная металлам (металлическая связь). Она обеспечивается взаимодействием между общими свободными электронами и положительными ионами. Энергия связи равна 4—5 эв.
В действительности формы связи не могут быть резко разграничены, одновременно образуются разные связи.
Если внутри молекулы центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают, то молекула внешне нейтральна, если же центры тяжести зарядов не совпадают, то молекула представляет собой диполь и называется полярной.
Молекулы взаимодействуют и в определенных случаях связываются друг с другом. Образующуюся таким путем молекулярную связь обеспечивают так называемые межмолекулярные силы, или вандерваальсовые силы.
Образование связи можно объяснить, с одной стороны, тем, что между атомами с насыщенной электронной оболочкой имеется определенное минимальное взаимодействие, вероятно, уменьшающее энергию системы и вызывающее согласованное движение электронов взаимодействующих молекул.
Если связывающиеся молекулы полярны или под действием электрических сил образуется диполь, то притяжение между молекулами также способствует образованию связи. Энергия молекулярной связи имеет величину порядка 0,05—0,2 эв.
Величина межмолекулярных сил определяет агрегатное состояние вещества. В газообразном состоянии энергия молекулярной связи значительно меньше, чем энергия теплового движения, у жидкостей энергия молекулярной связи и энергия теплового движения — величины одного порядка. В твердом состоянии энергия теплового движения гораздо меньше, чем энергия молекулярной связи.
Свойства твердых тел
Твердые тела обладают свойством сохранять форму, что связано с тем, что взаимодействие между частицами делает невозможным их перемещение. Расстояние между частицами имеет порядок размеров атома.
Твердые вещества делятся на кристаллические и аморфные.
Кристаллы характерны симметричным расположением частиц. В идеальном случае все вещество образует единый кристалл.
Подобные монокристаллы встречаются на практике редко. Обычно кристаллические тела состоят из множества мелких кристаллов, образуя поликристаллическую структуру. Кристаллы анизотропны, т. е. в разных направлениях обладают различными свойствами.
Для аморфной структуры характерно бессистемное размещение частиц. В действительности стабильной аморфной структуры не существует, аморфное состояние неустойчиво.
Неорганические вещества обычно имеют кристаллическую структуру, но иногда смешанную: частично кристаллическую, частично аморфную.
Органические пластмассы, имеющие большие молекулы, имеют также правильную структуру: молекулы образуют линейные, плоскостные или пространственные системы.
Аморфные тела изотропны. Степень изотропности зависит от симметричности структуры.
Плотность твердых веществ не равномерна: в телах имеются пустоты, раковины и поры, образуемые при их застывании.
Ионная связь характерна для большинства неорганических изоляционных материалов и прежде всего для ионных кристаллов (например, рутила, каменной соли, простых неорганических изоляционных материалов и т. д.).
Эти материалы сильно анизотропны: в определенных направлениях они обладают большой механической прочностью, твердостью, в других направлениях они легко расщепляются.
Температура плавления таких материалов обычно высока, в твердом виде они являются изоляторами, но в расплавленном состоянии или в одном растворе из-за ослабления связи между отдельными ионами обладают большой проводимостью.
Большой энергией обладает и атомная связь. Такая связь характерна для элементов IV группы периодической системы. Сюда относятся атомные кристаллы (например, кварц, карбид кремния и т. д.), а также несколько органических веществ (например, фенолформальдегидные смолы).
Эта форма связи характеризуется большой механической прочностью, твердостью и высокой температурой плавления.
Ковалентная связь может встретиться в равной мере как у металлов, так и у изоляционных материалов.
В некоторых материалах могут иметь место и та и другая формы связи (фарфор, стекло, слюда, асбест). Свойства таких материалов являются промежуточными между двумя группами.
Молекулярная связь образует кристаллические решетки органических соединений, обладающих низкой температурой плавления, малой механической прочностью и хорошими изоляционными свойствами.
У многих веществ одновременно образуются ковалентная и молекулярная связи. Это характерно для элементов V—VII группы периодической системы и для большинства органических веществ (например, парафина, целлюлозы, полиэтилена, резины).
При изготовлении органических материалов возможно сильное воздействие на образование связей. Это дает возможность получать материалы с заранее установленными свойствами.
Особым преимуществом в этом отношении обладают структуры, состоящие из длинных цепей (полиэтилен, нейлон, терилен и т. п.), обеспечивающие при этом большую механическую прочность.
Различные формы связи трудно резко разграничить, нередко они представляют собой совокупность нескольких типов взаимодействия. Физика твердого тела изучает в основном кристаллическое состояние вещества.
Ионы, атомы или молекулы, размещенные в узлах решетки кристаллов, фиксируются энергией связи. Расстояние между узлами решетки называют постоянной решетки, которая для разных кристаллов имеет, порядок 1,5—3х10-8 см.
Частицы в узлах решетки не находятся в состоянии покоя: они совершают колебания около положения равновесия с частотой 1013—1014 гц в соответствии с их тепловой энергией.
Электрон в каждом атоме решетки может располагать потенциальной энергией, определенной квантовыми числами.
Электрические свойства кристалла зависят от того, как электроны заполняют возможные энергетические уровни.
Одним из условий электропроводности материала является, с одной стороны, возможность смещения электронов внутри кристалла.
Другое условие — возможность изменения энергии электронов в соответствии с изменением потенциала внешнего электрического поля (это происходит только при определенных условиях).
В твердых телах также могут происходить процессы ионизации и возбуждения. При возбуждении энергия электронов, связанных с узлами решетки, возрастает и состояние изменяется. Под ионизацией здесь следует понимать такое явление, когда электрон покидает кристалл.
В действительности структура кристаллов несовершенна. В них могут быть дефекты масштаба атомов (пустые места в решетке, отдельные, основные атомы, размещенные между кристаллами, вставки посторонних и примесных атомов и т. д.) и дефекты структуры (деформация, коробление, трещины, мозаичное строение, кристаллитные границы и т. д.), нарушающие симметрию структуры.
Аморфная структура отличается от кристалла в первую очередь тем, что она не имеет определенной области затвердевания.
При переходе из жидкого состояния в твердое вязкость непрерывно и плавно меняется в зависимости от температуры. У кристаллических веществ затвердевание происходит скачкообразно, и вязкость в твердом состоянии практически бесконечна.
Аморфную структуру можно рассматривать как переохлажденную жидкость. Это допущение объясняет тот факт, что аморфные вещества обладают большими, но конечными значениями величин вязкости и времени релаксации.
В то же время при рассмотрении небольшого объема можно обнаружить, что его структура состоит из правильных субмикроскопических кристаллических участков.
Зонную теорию можно применить и к изолирующим жидкостям. Ее можно приближенно распространить и на аморфную структуру. Здесь также имеет место взаимодействие атомов, расположенных друг от друга на атомном расстоянии.
Условия на поверхности раздела
Ha поверхности раздела жидкостей и твердых тел молекулярные силы связаны не полностью, поверхностный слой обладает избытком потенциальной энергии. Поэтому молекулы из окружающей среды адсорбируют на поверхность, образуя пограничный слой.
Заметим, что вследствие теплового движения некоторые молекулы покидают поверхность, и вещество испаряется.
С точки зрения изоляционной техники особо важную роль играет граничный слой, образующийся на поверхностях твердых диэлектриков. В воздушной среде поверхность быстро покрывается тонким слоем адсорбированных молекул, находящихся друг от друга на атомном расстоянии.
Граничный слой содержит значительное количество молекул кислорода, которые вначале сцепляются с поверхностью молекулярными силами. В большинстве случаев эта связь постепенно становится ионной, начинается химическая реакция, вызывающая коррозию.
Вследствие наличия влаги в воздухе на поверхности адсорбируются также и молекулы воды, а это ускоряет процесс коррозии и сильно влияет на поверхностную проводимость.
Характер поверхности раздела зависит от величины сил сцепления. Если, например, сила притяжения между молекулами воды больше, чем притяжение поверхности, действующее на молекулу, то поверхность увлажняется слабо — она гидрофобна (парафин, полиэтилен, силиконы).
Степень увлажнения характеризуется углом смачивания капли на поверхности раздела.
Чистые металлические поверхности практически не встречаются. Они всегда покрыты каким-нибудь адсорбированным слоем, изменяющим форму потенциального барьера.
Смотрите также:
Диэлектрики и их свойства, поляризация и пробивная напряженность диэлектриков