Зонна теорія електропровідності
Всі речовини в залежності від їх електричних властивостей відносять до провідників, напівпровідників та діелектриків. Різницю між провідниками, напівпровідниками та діелектриками найбільш наочно можна пояснити за допомогою енергетичних діаграм зонної теорії твердого тіла (Рис. 1.4). Суть даної теорії полягає в наступному.
В ізольованому атомі електрони обертаються навколо ядра на певних орбітах. Кожній орбіті відповідає певне значення енергії, яку може мати електрон, тобто кожна орбіта являє собою певний енергетичний рівень (Рис. 1.4, 1).
Рисунок 1.4 – Діаграма енергетичних рівнів: 1 – ізольованого атома; 2 – твердого тіла: W – енергія електрона; W1 – нижній енергетичний рівень; W2 вільний енергетичний рівень; Wс – зона провідності (вільна зона); W – заборонена зона; Wv – валентна зона
Під впливом тяжіння позитивно зарядженого ядра атома електрони намагаються зайняти найближчі до ядра рівні із мінімальним значенням енергії. Нижні енергетичні рівні виявляються заповненими електронами, а верхні – вільними. Електрон може стрибкоподібно перейти із нижнього енергетичного рівня на інший вільний рівень. Для цього електрону необхідно надати додаткову енергію.
При утворенні кристалічної решітки твердого тіла всі електронні рівні (як заповнені так і незаповнені), які є у даного типу атомів дещо зміщуються внаслідок впливу сусідніх атомів один на одного. Таким чином із окремих енергетичних рівнів в твердому тілі утворюється цілі смуги – зони енергетичних рівнів, або енергетичні зони (Рис. 1.4, 2).
Зона яка заповнена електронами називається валентною зоною (Wv). Вільна зона називається зоною провідності (Wс). Зона між валентною та вільною зонами називається заборонною зоною (W).
До діелектриків відносяться такі речовини або матеріали у яких заборонна зона настільки велика, що електронної провідності у звичайних умовах у них не спостерігається (Рис. 1.5, а).
Рисунок 1.5 – Енергетичні зони:
а – в ізоляторі; б – в напівпровіднику; в – в провіднику.
До напівпровідників відносяться матеріали із більш вузькою заборонною зоною, яка може бути подолана електроном за рахунок зовнішніх енергетичних впливів (освітленість, нагрівання та ін) (Рис. 1.5, б).
До провідникових відносяться матеріали у яких заборонна зона повністю відсутня, або валентна зона навіть перехрещується із вільною зоною.
3.4 Природа магнетизму матеріалів
Всі матеріали в природі, при внесенні їх в магнітне поле, володіють магнітними властивостями, які зумовлені внутрішніми формами руху електричних зарядів.
Магнітне поле в речовині (матеріалі) створюють рухомі електричні заряди (електрони). Рух електрона по орбіті навколо атомного ядра приводить до виникнення орбітального магнітного моменту. Рух електрона навколо своєї осі, який називається «спином електрона» приводить до виникнення спинового магнітного моменту. Орбітальний та спиновий магнітні моменти в сумі утворюють магнітний момент атома.
Орбітальні магнітні моменти практично не приймають участі в явищі намагнічування. Елементарними носіями магнетизму є спинові магнітні моменти.
Так як електрони із правим і лівим обертанням мають різний напрям магнітних моментів, то сумарний магнітний момент атома може бути рівний нулю або відрізнятися від нього.
Матеріали із різною електронною структурою атомів мають різні магнітні властивості.
За магнітними властивостями матеріали розділяють на слабомагнітні та на сильномагнітні.
До слабомагнітних відносяться:
діамагнетики (kм < 0) – мідь, срібло, золото, свинець та ін.;
парамагнетики (kм > 0) – алюміній, платина, титан та ін.;
антиферомагнетики (kм > 0).
До сильномагнітних, які в подальшому ми будемо називати магнітними матеріалами, відносяться:
– феромагнетики (kм >> 1) – залізо, нікель, кобальт та їх сплави;
– феримагнетики (kм >> 1) – ферити (з’єднання окисів заліза із окисами інших металів.