62
AKULTET LEKTROTEHNIKE I AČUNARSTVA ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Materijali za elektrotehničke proizvode MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Modeli atoma Energijski pojasevi Međuatomske veze Kristalne strukture Nepravilnosti u kristalima Ak. god. 2014/2015 Zagreb, 10. 10. 2014.

Materijali za elektrotehničke proizvode

Embed Size (px)

DESCRIPTION

MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE. Materijali za elektrotehničke proizvode. Modeli atoma Energijski pojasevi Međuatomske veze Kristalne strukture Nepravilnosti u kristalima. Ak. god. 2014/2015. Zagreb, 10. 10. 2014. Rutherford-Bohrov model atoma. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Materijali za elektrotehničke proizvode

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVOI AUTOMATIZACIJU

Materijali za elektrotehničke proizvode

MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE

Modeli atomaEnergijski pojaseviMeđuatomske vezeKristalne struktureNepravilnosti u kristalima

Ak. god. 2014/2015 Zagreb, 10. 10. 2014.

Page 2: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

Detaljno o građi tvari uči se u fizici čvrstog stanja, a ovdje će se dati samo neke natuknice.

Prema Rutherfordovom modelu atoma (1911. god.), atom je sastavljen od jezgre i elektronskog omotača (planetarni model).

atom vodika atom helija

Page 3: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

Jezgra je gusta i malena. Promjer joj je oko 10-11 mm.

U jezgri atoma su protoni i neutroni. Proton je nosilac elementarnog kvantuma (najmanje moguće količine) pozitivnog elektriciteta, a neutron je električki neutralan.

Elektron je nosilac elementarnog kvantuma negativnog elektriciteta (1,610-19 C). Elektroni kruže oko jezgre po ljuskama.

Kako je promjer atoma reda vrijednosti 10-7 mm slijedi da je atom prazna ali čvrsta čestica s gustom jezgrom u sredini čiji je promjer 104 –105 puta manji od promjera atoma.

Protoni i neutroni (zajedničko ime nukleoni) su relativno teške čestice atomske težine 1 i mase 1,6710-27 kg. Masa elektrona (9,1110-31 kg) je zanemariva u odnosu na masu nukleona.

Page 4: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

4

Ukupan broj elektrona u elektronskom omotaču jednak je broju protona u jezgri i određuje redni broj elementa u prirodnom sustavu elemenata*. Atom je u slobodnom stanju električki neutralan.

Raspored elektrona u elektronskom omotaču (elektronska konfiguracija) je bitan za način spajanja atoma, tj. elemenata.

* Dmitrij Ivanović Mendeljejev (1834 – 1907). Ruski kemičar. Zakon o periodičnosti svojstava kemijskih elemenata izrazio je kao periodni sustav elemenata 1871. god.

Page 5: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

Slijedi izračun energije elektrona u atomu vodika (1 elektron i 1 proton). Pretpostavlja se kružna putanja elektrona. Pri kretanju elektrona oko jezgre na elektron djeluje Coulombova i centrifugalna sila. U stabilnom stanju ove sile su u ravnoteži:

gdje je:

q - apsolutna vrijednost naboja elektroname - masa elektrona0 – dielektričnost vakuuma = 8,85410-12 (F/m)

r

qvm

r

vm

r

qFF

e

eC

0

22

2

20

2

4

4

Page 6: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

Potencijal elektrona na udaljenosti r od jezgre atoma prema referentnoj točci u beskonačnosti je:

Slijedi da je potencijalna energija atoma:

Ukupna energija elektrona je:

r

qV

04

r

qqVEp

0

2

4

r

q

r

qvmEEE epk

0

2

0

22

842

Page 7: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

Prema izvornom modelu atoma, zbog gibanja elektrona oko jezgre i trenja, elektron bi trebao trošiti energiju i na kraju se urušiti u jezgru.

N. Bohr je 1913. god. u skladu s kvantnom teorijom M. Plancka predložio sljedeće:

•elektron može poprimiti samo diskretne vrijednosti energije. U stacionarnom stanju elektron ne zrači energiju.

• pri prijelazu iz jedne staze u drugu stazu elektron zrači energiju:

E = h v = Eviše – Eniže

gdje je:

h - Planckova konstanta = 6,6210-34 Jsv – frekvencija

Page 8: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

• orbitalni moment količine gibanja elektrona se u stacionarnom stanju izražava preko glavnog (prirodnog) kvantnog broja n:

Upotrebom glavnog kvantnog broja n, izraz za ukupnu energiju elektrona je:

Iz prethodnog izraza slijedi da je energija elektrona diskretna veličina.Svaka diskretna vrijednost energije naziva se energetska razina.

2h

nrvmL e

220

2

4 1

8 nh

qmE e

Page 9: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

U početku se pretpostavljalo da elektron kruži oko jezgre samo po kružnoj putanji. N. Bohr je pretpostavio da putanja elektrona može biti i oblika elipse. Somerfeld je došao do zaključka da energija elektrona ne ovisi samo od kvantnog broja n već i od oblika putanje, te da u jednoj stazi elektrona može biti više različitih putanja – orbitalni kvantni broj.

Energija atoma je također ovisna o kutu između ravnine u kojoj leži putanja elektrona prema proizvoljno odabranoj osi (smjer vanjskog magnetskog polja) – magnetski orbitalni kvantni broj.

I na kraju, energija elektrona ovisi i o spinu elektrona, tj. o smjeru njegove rotacije – magnetski spinski kvantni broj.

Rotiranje elektrona oko vlastite osi naziva se spin. Spin je značajan za magnetske i supravodljive pojave.

Page 10: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

Dakle, za potpuno opisivanje kretanja elektrona u elektronskom omotaču i određivanja energije u atomu koriste se 4 kvantna broja:

n glavni kvantni broj; 1(K), 2(L), 3(M), 4(N), 5(O), 6(P), 7(Q) l sporedni ili orbitalni kvantni broj (broj vrtnje); od 0...(n-1) ml magnetski orbitalni kvantni broj, 0, 1, 2, ... l ms magnetski spinski kvantni broj, (1/2)

S ovim brojevima određeni su svi elektroni u atomu i ti brojevi određuju broj elektrona u pojedinoj diskretnoj energetskoj razini tj. ljusci atoma.

Prema Paulijevom načelu isključenja u atomu ne mogu biti dva elektrona s 4 jednaka kvantna broja.

Page 11: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

11

Uobičajeno je da se ljuske (engl. shell ) koje odgovaraju pojedinim vrijednostima glavnog kvantnog broja (1,2...7)označavaju određenim slovima:

K, L, M, N, O, P, Q.

Pojedine su ljuske popunjene ako imaju 2n2 elektrona gdje je n redni broj ljuske računajući od jezgre prema van. Ljuske su popunjene ako imaju:

K – 2 elektronaL – 8 elektronaM – 18 elektrona, ... Itd.

Page 12: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

12

Svaka ljuska se sastoji od podljuski (engl. subshell). Podljuske se označavaju malim slovima (s, p, d i f).

Podljuske su popunjene ako imaju 2(2l+1) elektrona gdje je l = 0,1,2,3...(n-1)

Unutar s, p, d i f podljuski je 1, 3, 5 i 7 stanja . U svakom stanju se mogu naći dva elektrona sa suprotnim spinom, u skladu s Paullijevim načelom isključivosti ( 2, 6, 10 i 14 elektrona).

Aluminij (Al) atomski broj 13 = 1s22s22p63s23p1

Page 13: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

13

Obično se ljuske pravilno popunjavaju od niže prema višoj, tj. elektroni teže zauzeti niže energetsko stanje*.

Vanjske nepopunjene ljuske nazivaju se valentnim ljuskama, a elektroni u njima valentnim elektronima. Ovisno o broju valentnih elektrona pri spajanju elemenata, atom može postati električki:

•pozitivan•negativan•neutralan

Od navedenog pravila popunjavanja ljuski odstupaju elementi s većim rednim brojem u periodnom sustavu elemenata (počevši od kalcija – redni broj 19), tj. osniva se iduća ljuska, a prethodna nije popunjena. Popunjena ljuska predstavlja stabilno stanje, a nepopunjena ljuska nestabilno stanje. Svojstva elemenata ovise o popunjenosti nepopunjenih ljusaka.

Page 14: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

14

Raspored elektrona u ljuskama i podljuskama

n 1 (K) 2 (L) 3 (M) 4 (N)

l 0s

0 1 s p

0 1 2 s p d

0 1 2 3s p d f

ml 0 0 0,1 0 0,1 0,1, 2

0 0,1 0,1, 2 0,1, 2, 3

Elektrona s istim l

2 2 6 2 6 10 2 6 10 14

Elektrona s istim n

2 8 18 32

Page 15: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

15

Međutim, elektron nije samo tvarna čestica. Elektronu su pridružena i valna svojstva; interferencija i ogib.

Prema kvantno-valnoj mehanici, čije su temelje postavili: L. V. De Broglie, W. Heisenberg, E. Schrodinger i P. A. M. Dirac između 1920. i 1930. god., elektron se giba oko jezgre atoma kao val. Staza elektrona je cjelobrojni višekratnik valnih duljina . Oko jezgre atoma je kvantni elektronski oblak. Oblak je najgušći gdje je najveća vjerojatnost postojanja elektrona.

Frekvencija i valna duljina su povezane jednadžbom:

c = v gdje je c brzina svjetlosti.

Za mjerenje iznosa energije koju prima ili odašilje atom koristi se jedinica 1eV 1,610-19

J.

Page 16: Materijali za elektrotehničke proizvode

Rutherford-Bohrov model atoma

Ernest Rutherford (1871-1937). Fizičar s Novog Zelanda, dobio Nobelovu nagradu za kemiju 1908. god.

Niles Henrik David Bohr (1888 – 1962). Danski fizičar, dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1922. god.

Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858 – 1947). Njemački fizičar, dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1918. god.

Louis-Victor Pierre Raymond duc de Broglie (1892 – 1987). Francuski fizičar, dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1929. god.

Page 17: Materijali za elektrotehničke proizvode

Standardni model atoma

17

Yang – Millsovo polje je temelj moderne teorije materijala i osnova standardnog modela atoma.

Prema ovom modelu, za razliku od elektrona, protoni i neutroni nisu elementarne čestice. Sastoje se od po tri kvarka. Kvarkovi su međusobno povezani gluonima. Gluoni nastaju zbog Yang – Millsovog polja (“kondenzirana ljepljiva žitka masa”).

Page 18: Materijali za elektrotehničke proizvode

Standardni model atoma

18

Prema standardnom modelu čestice i sile nužne za objašnjenje ovih pojava su brojne. Pored toga postoji još barem 19 proizvoljnih konstanti za opisivanje masa čestica i jakosti interakcija između njih koje ne slijede iz teorije niti su po njoj određene.

Fizičarima još uvijek nije dovoljno jasno što je čestica.

Einstein je smatrao da je čestica kondenzirana energija*.

U daljnjim razmatranjima koristit će se zbog jednostavnost – Bohrov model atoma

* Prema teoriji superstruna stvarnost je šuma valova, a hologram je ono što naš mozak od tih valova tumači kao materijalni svijet.

Page 19: Materijali za elektrotehničke proizvode

Standardni model atoma

19

Chen – Ning Franklin Yang (1922 –). Podrijetlom Kinez, radi i živi u SAD-u. Dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1957. god.

Robert L. Mills (1927 – 1999). Američki fizičar, stručnjak za teoriju kvantnih polja.

Page 20: Materijali za elektrotehničke proizvode

Energijski pojasevi

20

Čvrsta tvar se može promatrati kao da se sastoji od velikog broja (npr. N), atoma združenih u kristalnu slagalinu.

Pri relativno velikim međusobnim razmacima, svaki atom je neovisan od ostalih i imat će energijske razine i elektronsku konfiguraciju kao izolirani atom.

Ako su atomi dovoljno blizu jedan drugoga, elektroni su pod utjecajem elektrona i jezgri susjednih atoma.

Svako pojedino atomsko stanje cijepa se na niz usko prostorno odjeljenih elektronskih stanja da bi se formirao elektronski energijski pojas u čvrstom tijelu. Veličina tog cijepanja ovisi o međuatomskom razmaku i započinje najprije kod vanjskih elektronskih ljuski.

Page 21: Materijali za elektrotehničke proizvode

Energijski pojasevi

21

Pri ravnotežnom odstojanju atoma u čvrstom tijelu neke podljuske koje su bliže jezgri atoma neće se pocijepati u energijski pojas.

Između susjednih pojaseva postoje energijski procjepi. Energije koje leže između ovih procjepa nisu raspoložive za popunjavanje elektronima.

Page 22: Materijali za elektrotehničke proizvode

Energijski pojasevi

22

Energijski pojasevi sadržavaju elektrone koji su boravili u korespodentnim energijskim razinama izoliranih atoma, npr. 4s energijski pojas u čvrstom tijelu sadrži 4s elektrone izoliranih atoma.

Broj stanja unutar svakog energijskog pojasa jednak je ukupnom broju svih stanja kojima doprinosi N atoma, npr. s pojas se sastoji od N stanja, p pojas od 3N stanja itd.

U odnosu na popunjenost, u svako energijsko stanje može se smjestiti dva elektrona koji moraju imati suprotno orijentirane spinove.

Postoje i prazni pojasevi i oni koji su samo djelomično popunjeni.

Page 23: Materijali za elektrotehničke proizvode

Energijski pojasevi

23

Postoje četiri različite strukture energijskih pojaseva pri temperaturi od 0 K.

U prvom tipu vanjski pojas je samo djelomično popunjen s elektronima.

Energija koja odgovara energiji najvišeg popunjenog stanja pri 0 K zove se Fermijeva energija.

Ova struktura je tipična za neke metale, posebno one koji imaju jedan s valentni elektron (bakar). Svaki atom bakra ima jedan 4s elektron, međutim za čvrstu tvar od N atoma, 4s pojas je sposoban za smještaj 2N elektrona.

Samo polovica raspoloživih elektronskih pozicija unutar ovog 4s pojasa je popunjena.

Page 24: Materijali za elektrotehničke proizvode

Energijski pojasevi

24

Još je jedna struktura energijskih pojaseva karakteristična za metale. To je struktura kod koje postoji preklapanje praznog pojasa i popunjenog pojasa.

Magnezij ima ovu strukturu. Svaki izolirani atom magnezija ima dva 3s elektrona. Nakon formiranja čvrstog tijela 3s i 3p pojasevi se preklapaju.

Za ovu strukturu uzima se kao Fermijeva energija ona energija ispod koje za N atoma je N stanja popunjeno, dva elektrona po svakom stanju.

Page 25: Materijali za elektrotehničke proizvode

Energijski pojasevi

25

Zadnje dvije strukture su kod poluvodiča i izolacijskih materijala. Valentni pojas je sasvim popunjen elektronima i odvojen je od praznog vodljivog pojasa. Između njih je energijski procjep (red vrijednosti 2 eV).

Razlika između ove dvije strukture je u veličini energijskog procjepa. Kod izolacijskih materijala procjep je relativno širok, dok je kod poluvodiča uzak. Širina procjepa ovisi o temperaturi.

Fermijeva energija za ove dvije strukture leži oko sredine energijskog procjepa.

Page 26: Materijali za elektrotehničke proizvode

Energijski pojasevi

26

Samo elektroni s energijama većim od Fermijeve energije mogu sudjelovati u vođenju struje tj. mogu biti pod utjecajem vanjskog električnog polja. Ovo su tzv. slobodni elektroni.

Da bi elektron postao slobodan mora biti pobuđen ili preveden u jedno od praznih i raspoloživih energijskih stanja iznad energije Ef.

Za metale se pretpostavlja da su svi valentni elektroni već slobodni tj. da imaju slobodu kretanja. Međutim, iako ovi elektroni nisu lokalno povezani za bilo koji atom, njima se treba privesti neki iznos energije da postanu vodljivi elektroni i sudjeluju u vođenju električne struje (energija vanjskog električnog polja).

Page 27: Materijali za elektrotehničke proizvode

Energijski pojasevi

27

Kod izolatora i poluvodiča, prazna stanja susjedna vrhu popunjenog valentnog pojasa nisu raspoloživa.

Da bi elektroni iz valentnog pojasa prešli u vodljivi treba im privesti energiju veću od širine zabranjenog pojasa Eg:

T gkT

E Eq

gdje je:

k – Boltzmanova konstanta = 1,3810-23 (J/K)T – apsolutna temperaturaq - naboj elektrona

Page 28: Materijali za elektrotehničke proizvode

Energijski pojasevi

28

Prelaskom elektrona u vodljivi pojas, u valentnom pojasu ostaje šupljina. Šupljine imaju energije koje su manje od Fermijeve, ali također participiraju u elektronskom vođenju. Električna vodljivost je direktno proporcionalna broju slobodnih elektrona i šupljina.

Razlika između poluvodiča i izolatora leži u broju nosilaca naboja tj. slobodnih elektrona i šupljina.

Kod električkih izolacijskih materijala valentni elektroni su čvrsto vezani za pojedine atome ili podijeljeni sa susjednim atomima (međuatomsko vezivanje je ionsko ili jako kovalentno).

Veza između atoma u poluvodiču je relativno slaba, što znači da valentni elektroni nisu čvrsto povezani s atomim (međuatomsko vezivanje je kovalentno ili pretežno kovalentno).

Page 29: Materijali za elektrotehničke proizvode

29

Ovisno o broju elementarnih čestica postoje različite vrste atoma karakterističnih za određeni element.

Do sada su poznata 112 elementa (92* su prirodna i nalaze se u zemljinoj kori).

Spajanjem više atoma** jednog ili različitih elemenata nastaju molekule. Molekule karakteriziraju određeni materijal i njegova svojstva.

* 9 elemenata gradi 99% zemljine kore: kisik 50%, silicij 25%, aluminij 7%, željezo 5%.

Veze između čestica u čvrstim tvarima

** Atomi se spajaju zbog prirodnog zakona; težnje za stanjem minimalne energije.

Page 30: Materijali za elektrotehničke proizvode

Veze između čestica u čvrstim tvarima

30

Elektrotehnički materijali u krutom agregatnom stanju postoje zbog međusobnih veza između atoma, iona ili molekula. Jedino kvantna mehanika daje potpuna objašnjenja, ali će se ovdje koristiti zakoni klasične fizike.

Na udaljenosti između čestica r = r0, rezultantna sila međudjelovanja jednaka je nuli.

Međusobne veze između čestica u ovim materijalima su elektrostatske prirode. Između čestica istovremeno postoje privlačne i odbojne sile. Na sljedećoj slici prikazana je ovisnost privlačne, odbojne i rezultantne sile između dva atoma o njihovoj međusobnoj udaljenosti.

Page 31: Materijali za elektrotehničke proizvode

Veze između čestica u čvrstim tvarima

31

Do odbojne sile između čestica dolazi uslijed elektrostatskog odbijanja pozitivno elektriziranih jezgri atoma.

Ovo djelovanje ovisi o međusobnoj udaljenosti atoma i stupnju zaklanjanja jezgri elektronima. Kod lakih atoma (mali broj elektrona) odbojno djelovanje je značajno.

Odbojno djelovanje je moguće i uslijed prekrivanja vanjskih ljuski atoma (kada su čestica na bliskim rastojanjima). Zbog Paulijevog načela, pojedini elektroni se sele u više ljuske, raste energija molekule, tj. rastu odbojne sile.

Page 32: Materijali za elektrotehničke proizvode

Veze između čestica u čvrstim tvarima

32

Privlačne sile između čestica čvrstog tijela mogu se podijeliti na kemijske i fizičke.

Kemijske ili primarne su:

•ionska (elektrostatska, heteropolarna, valentna)•kovalentna (homeopolarna, atomska)•metalna

Fizičke ili sekundarne (temelj van der Waalsova sila)su:

•polarna•vodikova

Page 33: Materijali za elektrotehničke proizvode

Ionizacija

33

Privođenjem dovoljno energije atomu tj. elektronu, elektron napušta atom i postaje slobodan. Pošto je u jezgri atoma više pozitivnog naboja nego u elektronskom omotaču atom postaje električki pozitivno nabijena čestica – ion, kation.

Ako atom primi elektron, atom postaje negativno nabijena čestica – ion, anion.

Stvaranje iona naziva se ionizacija. Ionizacijska energija je energija koju treba dovesti elektronu da bi napustio atom.

Izotopi su atomi istog elementa koji se razlikuju po broju neutrona tj. atomskoj masi. Postoje stabilni i nestabilni izotopi.Berilij, natrij i aluminij imaju po jedan stabilan izotop. Kositar ima 10 stabilnih izotopa.

Page 34: Materijali za elektrotehničke proizvode

Ionska veza

34

Ionska veza nastaje između atoma koji gubeći valentne elektrone postaju kationi (+) i atoma koji primajući elektrone postaju anioni (-). Elektropozitivni atomi su atomi elemenata I i II skupine periodnog sustava elemenata (Li, K, Na, Mg itd.). Elektronegativni atomi su atomi elemenata iz VI i VII skupine periodnog sustava elemenata (O, F, Cl, Br, J, itd).

Kationi i anioni se privlače elektrostatskom silom koja po Coulombovu zakonu iznosi:

gdje je:

F – sila (N)q1, q2 - količina elektriciteta (As)r – razmak između težišta naboja (m)r – relativna dielektričnost

1 22

04 r

q qF

r

Page 35: Materijali za elektrotehničke proizvode

Ionska veza

35

Primjer ionske veze je molekula natrijevog klorida (NaCl). Kada se atomi natrija i klora približe, valentni elektron atoma natrija prelazi u elektronski omotač atoma klora. Nastaju ioni različitog polariteta koji se privlače.

Slično je i kod molekule magnezijevog oksida. Ovdje se radi o dva valentna elektrona koji popunjavaju elektronski omotač atoma kisika, te je ova veza jača nego u slučaju NaCl (razlika je i u različitim temperaturama taljenja - MgO = 2800 0C, NaCl = 800 0 C)

Page 36: Materijali za elektrotehničke proizvode

Ionska veza

36

U ionskim spojevima svaki od elemenata ima popunjene vanjske ljuske. Metali predaju valentne elektrone, a nemetali ih primaju. Osnovne karakteristike materijala s ionskom vezom, kao posljedica elektrostatske sile među ionima su:

•slaba električka vodljivost•visoka mehanička čvrstoća•visoko talište

Pod utjecajem vanjskog električnog polja treba očekivati polarizaciju, jer svaka molekula osim što sadrži nosioce naboja (ione) i sama predstavlja potencijalni dipol. Otopljeni materijal u vodi (disocijacija) ili rastaljeni materijal postaje vodljiv.

Ionsko vezivanje atoma nije usmjereno. Kod nekih keramičkih materijala tehnološkim postupkom je uređeno prevladavajuće usmjereno vezanje.

Page 37: Materijali za elektrotehničke proizvode

Kovalentna veza

37

Kovalentna veza je prisutna u molekulama koje su sastavljene najčešće od istih atoma (najčešće klora, fosfora, kristali dijamanta, silicija, germanija, selena, sumpora, kositra itd.).

Kovalentna veza je, također, prisutna u neorganskim spojevima između elemenata III i V skupine periodnog sustava elemenata (GaAs) i gotovo svim organskim spojevima.

Kovalentna veza nastaje između električki neutralnih atoma pa se ne može objasniti elektrostatskim silama.

Page 38: Materijali za elektrotehničke proizvode

Kovalentna veza

38

Atomi između kojih se stvara kovalentna veza udružuju svoje valentne elektrone, popunjavajući svoje valentne ljuske do stabilne konfiguracije.

Elektroni koji sudjeluju u stvaranju kovalentne veze pripadaju istovremeno i jednom i drugom atomu.

Zbog Paulijevog načela spinovi su im različiti.

Stvaranje kovalentne veze ilustrirano je na primjeru metana, CH4.

Page 39: Materijali za elektrotehničke proizvode

Kovalentna veza

39

Na slici je prikazano stvaranje kovalentnih veza kod još nekih molekula.

Broj kovalentnih veza je određen brojem valentnih elektrona.Kovalentna veza je zasićena veza, tj. svaki atom je u stanju stvoriti vezu samo s određenim brojem susjednih atoma. Kod vodika je to između dva atoma, kod silicija između četiri atoma itd.

Kovalentne veze mogu biti jake (dijamant) ili slabe (bizmut). Ovo je tipična veza za polimere. Molekule stvorene ovim spojem nemaju slobodnih elektrona. Kovalentni spojevi su uglavnom izolatori, rjeđe poluvodiči.

Page 40: Materijali za elektrotehničke proizvode

Kovalentna veza

40

Kovalentna veza je usmjerena, tj. ostvaruje se samo u određenim pravcima. Molekule imaju definiran oblik. Osnovno geometrijsko tijelo prema kojem su atomi raspoređeni jest tetraedar npr. kod dijamanta je svaki atom ugljika okružen s četiri ostala.

Osnovne karakteristike materijala s kovalentnim spojem su:

•ne vode električnu struju (niti u rastaljenom stanju)•slabo se otapaju u vodi•lako isparavaju Tetraedar; valencije su u smjeru

visina prema vrhovima (Si)

Page 41: Materijali za elektrotehničke proizvode

Metalna veza

41

Metalna veza je izrazito prisutna u čvrstim elementima I, II i III grupe periodnog sustava elemenata – tj. metalima.

Atomi većine metala imaju manje od četiri valentna elektrona (obično 3). Lako gube valentne elektrone, čak i na sobnoj temperaturi, i postaju kationi (+).

Privlačna sila između slobodnih elektrona i pozitivnih iona je dovoljno velika da elektroni ne idu u slobodni prostor izvan metala, već tvore elektronski oblak u prostoru između iona.

Page 42: Materijali za elektrotehničke proizvode

Metalna veza

42

Postojanje krutog metalnog tijela rezultat je privlačnog djelovanja između pozitivno elektriziranih iona i elektronskog oblaka kao i odbojnog djelovanja između pozitivnih iona.

Kationi se slažu prostorno po određenom sustavu i nastaju prostorne slagaline kationa metala između kojih se nalaze slobodni elektroni.

Metalna veza nije usmjerena. Uslijed postojanja slobodnih elektrona metali su dobri vodiči električne struje i topline

Page 43: Materijali za elektrotehničke proizvode

Van der Waalsova veza

43

Van der Waalsova veza je prisutna u materijalima izgrađenim od neutralnih atoma i molekula s popunjenim vanjskim ljuskama. Najizrazitiji primjeri ovakvih molekularnih veza su kod tekućeg i krutog stanja inertnih plinova, kisika, vodika i mnogih organskih i neorganskih spojeva, poluvodljivih materijala itd.

Van der Waalsova veza je između dipola* atoma ili molekula i objašnjava se elektrostatskim silama.

* Električni dipol stvaraju dva jednaka točkasta naboja suprotnog polariteta na malom rastojanju. Električni dipol je karakteriziran električnim momentom. Električni moment dipola je vektorska veličina čija je vrijednost jednaka produktu pozitivnog naboja i rastojanja između naboja. Pravac vektora je određen pravcem koji prolazi kroz ova dva naboja, a smjer električnog momenta dipola je od negativnog prema pozitivnom naboju.

Page 44: Materijali za elektrotehničke proizvode

Van der Waalsova veza

44

U pojedinim trenucima može se desiti da je raspodjela negativnog naboja oko jezgre takva da se ovi centri ne poklapaju. Takav slučaj trenutnog dipola prikazan je za atom helija.

Van der Waalsova veza je dipolna privlačna sila.

U neutralnom atomu centar ekvivalentnog pozitivnog i centar ekvivalentnog negativnog naboja se poklapaju i srednji električni moment dipola je jednak nuli.

Page 45: Materijali za elektrotehničke proizvode

Van der Waalsova veza

Na slici je prikazan mehanizam nastajanja međusobnog privlačnog djelovanja između trenutačnih dipola dva jednaka atoma.

Ovaj tip veze je slabijeg inteziteta u odnosu na ionsku i metalnu vezu.

Materijali s molekularnim vezama lako isparavaju i imaju nisku točku taljenja.

Ova vrsta veza je neusmjerena i nezasićena.

Page 46: Materijali za elektrotehničke proizvode

Usporedba kristala u ovisnosti o tipu veze

46

U čvrstim materijalima je kombinacija nekoliko vrsta veza. Obično je dominantna jedna vrsta veze pa se čvrsti materijali dijele na ionske, kovalentne, metalne i molekularne kristalne slagaline. Keramike su sastavljene od najmanje dva kemijska elementa i zbog toga su keramičke kristalne slagaline kompleksnije od metalnih. Kemijske veze u keramikama su potpuno ionske, potpuno kovalentne ili kombinirane ionske i kovalentne veze. U tablici su dane neke karakteristike kristala u ovisnosti o tipu veze za T=20 0C.

Ionska kovalentna metalna molekularnaTip. predstavnici NaCl, LiF,

CaCl2

dijamant, Si, Ge, SiC

Na, Fe, Cu Ar, He, Ne, Kr

energija veze (J/mol) 6-10 104 2-10104 1-4104 103

točka taljenja (K) 700-3300 500-3700 230-4150 600

elek. otpornost (m) 1012-1020 10-1020 10-3-10-6 1012-1020

koef. topl. vod. (W/mK) 2-20 4-600 40-400 0,04-4

tvrdoća tvrdi tvrdi kovni /

Page 47: Materijali za elektrotehničke proizvode

Strukture čvrstih elektrotehničkih materijala

47

Po strukturi se čvrsti elektrotehnički materijali dijele na amorfne i kristalne.

Amorfni materijali su materijali kod kojih atomi, ioni ili molekule imaju nepravilan raspored. Amorfni materijali su izotropni.

Pri zagrijavanju amorfni materijali omekšavaju u širokom temperaturnom intervalu, i na kraju prelaze u tekuće agregatno stanje. Pri hlađenju, ukoliko ne dođe do kristalizacije, proces je obrnut.

Elektrotehnički materijali u amorfnom stanju se obično dobivaju naglim hlađenjem taline ili para.

Amorfni elektrotehnički materijali su: polimeri, neke vrste keramike, poluvodički spojevi na bazi Ge-As-Se-Te itd.

Page 48: Materijali za elektrotehničke proizvode

Strukture čvrstih elektrotehničkih materijala

48

Kristalni materijali su materijali kod kojih atomi, ioni ili molekule imaju pravilan raspored tj. strukturu koja se periodički ponavlja u prostoru.

Osnovni strukturni element tj. elementarna ćelija je paralelopiped. Paralelopiped je određen duljinama bridova i kutovima između njih.

Uobičajeno je da se atomi ili grupe atoma predstavljaju točkama tako da prostorni raspored ovih točaka odgovara strukturi kristala. Skup ovih točaka obrazuje kristalnu slagalinu. Svaka točka predstavlja čvor slagaline.

Kristali imaju čvrsto definiranu točku taljenja.

Page 49: Materijali za elektrotehničke proizvode

Strukture čvrstih elektrotehničkih materijala

49

Prema duljini bridova elementarnih ćelija i kutovima između njih sve se kristalne slagaline mogu svrstati u sedam različitih skupina.

U okviru svake skupine može postojati najviše četiri podskupine; primitivna, plošno centrirana, bazno centrirana i prostorno centrirana.

• kubična• tetragonska• rompska• monoklinska• triklinska• trigonalna• heksagonska

Page 50: Materijali za elektrotehničke proizvode

Strukture čvrstih elektrotehničkih materijala

50

Tetragonsku strukturu imaju kristali s tri međusobno okomite osi. Dvije su jednake duljine i leže u vodoravnoj ravnini. Treća os može biti dulja ili kraća. Tetragonska dvostrana piramida ili prizma su najčešći oblici. Primjer za ovu strukturu su indij, kositar, titan i titanov dioksid. Rompsku strukturu imaju kristali s tri osi nejednake duljine, koje su međusobno okomite. Dvostrane piramide ili prizme kojima su baze rombovi su najčešći oblici.

Monoklinsku strukturu imaju kristali s tri osi nejednake duljine. Dvije od njih su međusobno okomite, a treća je kosa. To su monoklinska dvostrana piramida i prizma. Primjer za ovu strukturu su fosfor i selen.Triklinsku strukturu imaju kristali s tri kristalografske osi nejednake duljine i međusobno nagnute.

Page 51: Materijali za elektrotehničke proizvode

Strukture čvrstih elektrotehničkih materijala

51

Kubičnu strukturu imaju kristali s tri međusobno okomite kristalografske osi jednake duljine. Oblika su oktaedra ili kocke. Slagalinu ovog oblika imaju mnogi metali, keramike i poluvodiči kao Si, GaAs, itd.

Kubične slagaline mogu biti:

•prostorno centrirane•plošno centrirane

Kod čvrstih tijela uređenost kristala je ograničena. Ako je uređenost reda vrijednosti do 0,1 mm takva tijela se nazivaju polikristalima. Kristali kod kojih je uređenost veća od 0,1 mm nazivaju se monokristalima.

Page 52: Materijali za elektrotehničke proizvode

Prostorno centrirana kubična salaglina

52

Prostorno centrirana kubična salaglina (engl. body-centered cubic – BCC) nije gusto naseljena. U središtu i u vrhovima kocke nalaze se kationi. Svakoj elementarnoj kocki pripadaju samo dva kationa. Kationi zauzimaju 68 %, a ostatak je slobodni muđuatomski prostor. Slagalina ima četiri porodice pravaca koji su najgušće zaposjednuti. Orijentirani su u smjerovima dijagonala kocke. Nazivaju se kliznim pravcima. Dijagonalne ravnine nisu maksimalno klizave. Zbog toga se ovi materijali opiru gnječenju i zovu se otporni materijali.

U ovu skupinu materijala spadaju:

•-željezo,•krom,•molibden,•volfram itd.

Page 53: Materijali za elektrotehničke proizvode

Prostorno centrirana kubična salaglina

53

Klizni pravci i klizne ravnine su pravci i ravnine s najvećom gustoćom kationa.

Veze između kationa na tim pravcima i ravninama su veće od veza između pravaca i ravnina.

Dvije bitne karakteristike kristalne strukture su faktor gustoće slaganja i koordinacijski broj. Faktor gustoće slaganja pokazuje iskorištenost prostora kojim atomi raspolažu u određenom kristalnom sastavu. Koordinacijski broj je broj najbliže susjednih atoma svakog atoma.

Page 54: Materijali za elektrotehničke proizvode

Plošno centrirana kubična salaglina

54

Plošno centrirana kubična slagalina (engl. face –centered cubic - FCC) ima na dijagonalama ploha kocke centriran po jedan kation, a na nj se oslanjaju vršni kationi.

Svakoj takvoj kocki pripadaju po 4 atoma. Od ukupnog prostora kocke kationi zauzimaju 74%, a ostalo je slobodni međuatomski prostor.

Page 55: Materijali za elektrotehničke proizvode

Plošno centrirana kubična salaglina

55

Ova slagalina ima 6 porodica kliznih pravaca usmjerenih u pravcu dijagonala plohe i 4 porodice kliznih ravnina koje su najgušće zaposjednute.

Svaki kation ima 12 najbližih susjednih kationa (koordinacijski broj je 12). U ovu skupinu materijala spadaju:

•bakar•aluminij•nikal•olovo•srebro• - željezo

Nazivaju se rastezljivim materijalima. Lako se gnječe, valjaju, kuju, istiskuju, izvlače itd.

Page 56: Materijali za elektrotehničke proizvode

Heksagonalna slagalina

56

Heksagonalna slagalina (engl. hexagonal close-packed - HCP) se sastoji od dva heksagona. Svakom heksagonu pripada 6 kationa. U središtu heksagona je po jedan kation, a u sredini slagaline su tri kationa.Svaki kation ima 12 susjednih kationa s kojima se dodiruje.

Kationi u ovoj slagalini zauzimaju 74% prostora, a ostalo je slobodni međuatomski prostor.

Page 57: Materijali za elektrotehničke proizvode

Heksagonalna slagalina

57

S obzirom na iznos parametra c razlikuju se visoki i niski heksagon.Kod ove slagaline, porodica ravnina paralelna s bazama izrazito je klizava, pa to uzrokuje usmjerenost niza mehaničkih i magnetskih svojstava (anizotropija). S tim je u vezi i kalavost materijala. Lako se obrađuju gnječenjem, valjanjem, provlačenjem, tiskanjem itd.

U niski heksagon kristalizira:

• - kobalt•magnezij• - titan

U visoki heksagon kristalizira :

•cink•kadmij itd.

Ova slagalina ima 3 parametra:

•parametar baze a = 2r•parametar visine c•polumjer atoma r

Page 58: Materijali za elektrotehničke proizvode

Polimorfija

58

Neki metali kristaliziraju u više slagalina; - i - željezo, - i - titan itd. Ugljik pri vrlo visokoj temperaturi i pritisku kristalizira kao dijamant, a u normalnim prilikama kristalizira kao grafit (heksagonalna, nekompaktna slagalina). Ta se pojava zove polimorfija.

- željezo do 769 0C kristalizira u prostorno centriranu kubičnu slagalinu, pri 769 0C gubi magnetska svojstva i označuje se kao - željezo, pri 910 0C kristalizira u plošno centriranu kubičnu slagalinu i označuje se kao - željezo, pri 1401 0C prekristalizira u prostorno centriranu kubičnu slagalinu s nešto većim parametrima nego kod - željeza i označuje se kao - željezo.

Slično se ponašaju i neke sastavne komponente keramičkih materijala.

Kod metala su polimorfne promjene reverzibilne pri zagrijavanju i hlađenju. Takve promjene s temperaturom nazivaju se alotropne.

Page 59: Materijali za elektrotehničke proizvode

Nepravilnosti u kristalima

59

Struktura stvarnih kristala se razlikuje od strukture idealnih kristala. Mehanička, magnetska, toplinska, električna svojstva krutih materijala ovise o nepravilnostima kristalne strukture. S obzirom da li je centar prekida savršenosti kristalne strukture u točki, duž neke linije ili površine nepravilnosti kristalne strukture se dijele na:

•točkaste •linijske (dislokacije)•površinske (granice zrna i blokova)

Najvažnije točkaste nepravilnosti su:

•Frenkelov defekt•Schottkyev defekt•primjesni atomi

Page 60: Materijali za elektrotehničke proizvode

Nepravilnosti u kristalima

60

Frenkelov defekt: U određenim uvjetima neki atomi napuštaju svoj osnovni položaj i pozicioniraju se na posebnim mjestima u kristalu. Praznina u kristalu je vakancija, a atom se naziva intersticijski atom.

Schottkyev defekt: U kristalima s gusto pakiranim atomima intersticijski atomi ne ostaju unutar kristalne strukture već izlaze na površinu kristala. U kristalu ostaju samo vakancije. Na ovaj način raste obujam kristala i smanjuje se gustoća. Defekti po Frenkelu i Schottkyu imaju utjecaja na mehanička, magnetska, toplinska i druga svojstva materijala.

Page 61: Materijali za elektrotehničke proizvode

Nepravilnosti u kristalima

61

Primjesni atomi: Najsuvremenijim metodama pročišćavanja materijala ne može se dobiti materijal koji će sadržavati manje od 10-9 % primjesa, što znači da u 1 cm3 će biti 1011 atoma primjesa.

U prvom slučaju atomi primjesa dolaze na mjesta koja zauzimaju atomi osnovnog materijala. Ovaj tip spoja obično nastaje između materijala koji imaju približno istu veličinu atoma. U drugom slučaju atomi primjesa dolaze između atoma osnovnog materijala. Spoj se javlja između materijala različite veličine atoma.

Atomi primjesa mogu biti raspoređeni u osnovnom materijalu na dva načina, stvarajući:

•supstitucijske čvrste slitine•intersticijske čvrste slitine

Page 62: Materijali za elektrotehničke proizvode

Nepravilnosti u kristalima

62

Samo supstitucijske čvrste slitine se mogu formirati u svim odnosima dviju komponenata. Zato je potrebno da atomi polaznih komponenata zadovoljavaju sljedeća pravila:

•da se razlikuju u dimenzijama manje od 15 %•da imaju jednaku kristalnu strukturu•da se ne razlikuju značajno u elektronegativnosti•da imaju istu valentnost

Primjese imaju značajnog utjecaja na mehaničke, kemijske, magnetske, električne osobine krutih tijela. Npr. čisti silicij ima električnu otpornost reda 2000 m. Međutim uz koncentraciju primjesa od 10-9 % otpornost se smanjuje na oko 1 m.