ДИЭЛЕ́КТРИКИ

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 9. Москва, 2007, стр. 112-114

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: А. П. Леванюк, Д. Г. Санников

ДИЭЛЕ́КТРИКИ, ве­ще­ст­ва, пло­хо про­во­дя­щие элек­трич. ток. Тер­мин «Д.» вве­дён М. Фа­ра­де­ем для обо­зна­че­ния ве­ществ, в ко­то­рые про­ни­ка­ет элек­тро­ста­тич. по­ле. При по­ме­ще­нии в элек­трич. по­ле лю­бо­го ве­ще­ст­ва элек­тро­ны и атом­ные яд­ра ис­пы­ты­ва­ют си­лы со сто­ро­ны это­го по­ля. В ре­зуль­та­те часть за­ря­дов на­прав­лен­но пе­ре­ме­ща­ет­ся, соз­да­вая элек­трич. ток. Ос­таль­ные же за­ря­ды пе­ре­рас­пре­де­ля­ют­ся так, что «цен­тры тя­же­сти» по­ло­жи­тель­ных и от­ри­ца­тель­ных за­ря­дов сме­ща­ют­ся от­но­си­тель­но друг дру­га. В по­след­нем слу­чае го­во­рят о по­ля­ри­за­ции ве­ще­ст­ва. В за­ви­си­мо­сти от то­го, ка­кой из этих двух про­цес­сов (по­ля­ри­за­ция или элек­трич. про­во­ди­мость) пре­об­ла­да­ет, ве­ще­ст­ва де­лят на Д. (все не­ио­ни­зо­ван­ные га­зы, не­ко­то­рые жид­ко­сти и твёр­дые те­ла) и про­вод­ни­ки (ме­тал­лы, элек­тро­ли­ты, плаз­ма). Элек­трич. про­во­ди­мость Д. по срав­не­нию с ме­тал­ла­ми очень ма­ла. Удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние Д. 108–1017 Ом·см, ме­тал­лов – 10–6–10–4 Ом·см.

Ко­ли­че­ст­вен­ное раз­ли­чие в элек­трич. про­во­ди­мо­сти Д. и ме­тал­лов клас­сич. фи­зи­ка пы­та­лась объ­яс­нить тем, что в ме­тал­лах есть сво­бод­ные элек­тро­ны, в то вре­мя как в Д. все элек­тро­ны свя­за­ны (при­над­ле­жат отд. ато­мам) и элек­трич. по­ле не от­ры­ва­ет, а лишь слег­ка сме­ща­ет их.

Кван­то­вая тео­рия твёр­до­го те­ла объ­яс­ня­ет раз­ли­чие элек­трич. свойств ме­тал­лов и Д. разл. рас­пре­де­ле­ни­ем элек­тро­нов по энер­ге­тич. уров­ням. В Д. верх­ний за­пол­нен­ный элек­тро­на­ми энер­ге­тич. уро­вень сов­па­да­ет с верх­ней гра­ни­цей од­ной из раз­ре­шён­ных зон (в ме­тал­лах он ле­жит внут­ри раз­ре­шён­ной зо­ны), а бли­жай­шие сво­бод­ные уров­ни от­де­ле­ны от за­пол­нен­ных за­пре­щён­ной зо­ной, пре­одо­леть ко­то­рую под дей­ст­ви­ем не слиш­ком силь­ных элек­трич. по­лей элек­тро­ны не мо­гут (см. Зон­ная тео­рия). Дей­ст­вие элек­трич. по­ля сво­дит­ся к пе­ре­рас­пре­де­ле­нию элек­трон­ной плот­но­сти, ко­то­рое при­во­дит к по­ля­ри­за­ции ди­элек­три­ка.

Поляризация диэлектриков

Ме­ха­низ­мы по­ля­ри­за­ции Д. за­ви­сят от ха­рак­те­ра хи­мич. свя­зи, т. е. рас­пре­де­ле­ния элек­трон­ной плот­но­сти в Д. В ион­ных кри­стал­лах (напр., NaCl) по­ля­ри­за­ция яв­ля­ет­ся ре­зуль­та­том сдви­га ио­нов от­но­си­тель­но друг дру­га (ион­ная по­ля­ри­за­ция), а так­же де­фор­ма­ции элек­трон­ных обо­ло­чек отд. ио­нов (элек­трон­ная по­ля­ри­за­ция), т. е. сум­мой ион­ной и элек­трон­ной по­ля­ри­за­ций. В кри­стал­лах с ко­ва­лент­ной свя­зью (напр., ал­маз), где элек­трон­ная плот­ность рав­но­мер­но рас­пре­де­ле­на ме­ж­ду ато­ма­ми, по­ля­ри­за­ция обу­слов­ле­на гл. обр. сме­ще­ни­ем элек­тро­нов, осу­ще­ст­в­ляю­щих хи­мич. связь. В т. н. по­ляр­ных Д. (напр., твёр­дый H2S) груп­пы ато­мов пред­став­ля­ют со­бой элек­трич. ди­по­ли, ко­то­рые ори­ен­ти­ро­ва­ны хао­ти­че­ски в от­сут­ст­вии элек­трич. по­ля, а в по­ле при­об­ре­та­ют пре­иму­ще­ст­вен­ную ори­ен­та­цию. Та­кая ори­ен­та­ци­он­ная по­ля­ри­за­ция ти­пич­на для мн. жид­ко­стей и га­зов. По­хо­жий ме­ха­низм по­ля­ри­за­ции cвязан с «пе­ре­ско­ком» под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля отд. ио­нов из од­них по­ло­же­ний рав­но­ве­сия в ре­шёт­ке в дру­гие. Осо­бен­но час­то та­кой ме­ха­низм на­блю­да­ет­ся в ве­ще­ст­вах с во­до­род­ной свя­зью (напр., лёд), где ато­мы во­до­ро­да име­ют неск. по­ло­же­ний рав­но­ве­сия.

По­ля­ри­за­ция Д. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся век­то­ром по­ля­ри­за­ции $\boldsymbol P$, ко­то­рый пред­став­ля­ет со­бой элек­трич. ди­поль­ный мо­мент еди­ни­цы объ­ё­ма Д.:$$\boldsymbol P=\sum\limits^N_{i=1}\boldsymbol P_i$$ где $p_i$ – ди­поль­ные мо­мен­ты час­тиц (ато­мов, ио­нов, мо­ле­кул), $N$ – чис­ло час­тиц в еди­ни­це объ­ё­ма. Век­тор $\boldsymbol P$ за­ви­сит от на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля $\boldsymbol E$. В сла­бых по­лях $\boldsymbol P=ε_0ϰ\boldsymbol E$. Ко­эф. про­пор­цио­наль­но­сти $ϰ$ на­зы­ва­ет­ся ди­элек­трической вос­при­им­чи­во­стью. Час­то вме­сто век­то­ра $\boldsymbol P$ ис­поль­зу­ют век­тор элек­трич. ин­дук­ции $$\boldsymbol D=ε_0\boldsymbol E+\boldsymbol P=ε_0ε\boldsymbol E \text{ (в СИ)},\tag1$$где $ε$  – ди­элек­три­че­ская про­ни­цае­мость, $ε_0$ – элек­три­че­ская по­сто­ян­ная. Ве­ли­чи­ны $ϰ$ и $ε$ – осн. ха­рак­те­ри­сти­ки Д. В ани­зо­троп­ных Д. (напр., в не­ку­би­че­ских кри­стал­лах) на­прав­ле­ние $\boldsymbol P$ оп­ре­де­ля­ет­ся не толь­ко на­прав­ле­ни­ем по­ля $\boldsymbol E$, но и на­прав­ле­ни­ем осей сим­мет­рии кри­стал­ла. По­это­му век­тор $\boldsymbol P$ бу­дет со­став­лять разл. уг­лы с век­то­ром $\boldsymbol E$ в за­ви­си­мо­сти от ори­ен­та­ции $\boldsymbol E$ по от­но­шению к осям сим­мет­рии кри­стал­ла. В этом слу­чае век­тор $\boldsymbol D$ бу­дет оп­ре­де­лять­ся че­рез век­тор $\boldsymbol E$ с по­мо­щью не од­ной ве­ли­чи­ны $ε$, а не­сколь­ких (в об­щем слу­чае шес­ти), об­ра­зую­щих тен­зор ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти.

Диэлектрики в переменном поле

Ес­ли по­ле $\boldsymbol E$ из­ме­ня­ет­ся во вре­ме­ни $t$, то по­ля­ри­за­ция Д. не ус­пе­ва­ет сле­до­вать за ним, т. к. сме­ще­ния за­ря­дов не мо­гут про­ис­хо­дить мгно­вен­но. По­сколь­ку лю­бое пе­ре­мен­ное по­ле мож­но пред­ста­вить в ви­де со­во­куп­но­сти по­лей, ме­няю­щих­ся по гар­мо­нич. за­ко­ну, то дос­та­точ­но изу­чить по­ве­де­ние Д. в по­ле $\boldsymbol E= E_0\sin ωt$, где $ω$ – час­то­та пе­ре­мен­но­го по­ля, $\boldsymbol E_0$ – ам­пли­ту­да на­пря­жён­но­сти по­ля. Под дей­ст­ви­ем это­го по­ля $\boldsymbol D$ и $\boldsymbol P$ бу­дут ко­ле­бать­ся то­же гар­мо­ни­че­ски и с той же час­то­той. Од­на­ко ме­ж­ду ко­ле­ба­ния­ми $\boldsymbol P$ и $\boldsymbol E$ по­яв­ля­ет­ся раз­ность фаз $δ$, что вы­зва­но от­ста­ва­ни­ем по­ля­ризации $\boldsymbol P$ от по­ля $\boldsymbol E$. Гар­мо­нич. за­кон мож­но пред­ста­вить в ком­плекс­ном виде $\boldsymbol E=\boldsymbol E_0е^{iωt},$ то­гда $\boldsymbol D=\boldsymbol D_0е^{iωt},$ причём $\boldsymbol D_0=ε(ω)\boldsymbol E_0$. Ди­элек­трич. про­ни­цае­мость в этом слу­чае яв­ля­ет­ся ком­плекс­ной ве­ли­чи­ной: $ε(ω)=ε′+iε″;$ $ε′$ и $ε″$ за­ви­сят от час­то­ты пе­ре­мен­но­го элек­трич. по­ля $ω$. Аб­со­лют­ная ве­ли­чи­на $$|ε(ω)|=\sqrt {ε′^2+ε″^2}$$ оп­ре­де­ля­ет ам­пли­ту­ду ко­ле­ба­ния $D$, а от­но­ше­ние $ε′/ε″=\mathrm{tg} \delta $ – раз­ность фаз ме­ж­ду ко­ле­ба­ния­ми $\boldsymbol D$ и $\boldsymbol E$. Ве­ли­чи­на $δ$ на­зы­ва­ет­ся уг­лом ди­элек­три­че­ских по­терь. В по­сто­ян­ном элек­трич. по­ле $ω=0, ε″=0, ε′=ε$.

В пе­ре­мен­ных элек­трич. по­лях вы­со­ких час­тот свой­ст­ва Д. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся по­ка­за­те­ля­ми пре­лом­ле­ния $n$ и по­гло­ще­ния $𝑘$ (вме­сто $ε′$ и $ε″$). Пер­вый ра­вен от­но­ше­нию ско­ро­стей рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­ных волн в Д. и в ва­куу­ме. По­ка­за­тель по­гло­ще­ния 𝑘 ха­рак­те­ри­зу­ет за­ту­ха­ние элек­тро­маг­нит­ных волн в Д. Ве­ли­чи­ны $n, 𝑘, ε′$ и $ε″$ свя­за­ны со­от­но­ше­ни­ем $$n+i𝑘=\sqrt {ε′+iε″} \tag2$$ 

Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля

В ря­де твёр­дых Д. (пи­ро­элек­три­ках, сег­не­то­элек­три­ках, пье­зо­элек­три­ках, элек­тре­тах) по­ля­ри­за­ция мо­жет су­ще­ст­во­вать и без элек­трич. по­ля, т. е. мо­жет быть вы­зва­на др. при­чи­на­ми. Так, в пи­ро­элек­три­ках за­ря­ды рас­по­ла­га­ют­ся столь не­симмет­рич­но, что цен­тры тя­же­сти за­ря­дов про­ти­во­по­лож­но­го зна­ка не сов­па­да­ют, т. е. Д. спон­тан­но по­ля­ри­зо­ван. Од­на­ко по­ля­ри­за­ция в пи­ро­элек­три­ках про­яв­ля­ет­ся толь­ко при из­ме­не­нии темп-ры, ко­гда ком­пен­си­рую­щие по­ля­ри­за­цию элек­трич. за­ря­ды не ус­пе­ва­ют пе­ре­стро­ить­ся. Раз­но­вид­но­стью пи­ро­элек­три­ков яв­ля­ют­ся сег­не­то­элек­три­ки, спон­тан­ная по­ля­ри­за­ция ко­то­рых мо­жет су­ще­ст­вен­но из­ме­нять­ся под влия­ни­ем внеш­них воз­дей­ст­вий (темп-ры, элек­трич. по­ля). В пье­зо­элек­три­ках по­ля­ри­за­ция воз­ни­ка­ет при де­фор­ма­ции кри­стал­ла, что свя­за­но с осо­бен­но­стя­ми их кри­стал­лич. струк­ту­ры. По­ля­ри­за­ция в от­сут­ст­вии по­ля мо­жет на­блю­дать­ся так­же в не­ко­то­рых ве­ще­ст­вах ти­па смол и стё­кол, на­зы­вае­мых элек­тре­та­ми.

Электрическая проводимость диэлектриков

ма­ла, но все­гда от­лич­на от ну­ля. Под­виж­ны­ми но­си­те­ля­ми за­ря­да в Д. мо­гут быть элек­тро­ны и ио­ны. В обыч­ных ус­ло­ви­ях элек­трон­ная про­во­ди­мость Д. ма­ла по срав­не­нию с ион­ной. Ион­ная про­во­ди­мость мо­жет быть обу­слов­ле­на пе­ре­ме­ще­ни­ем как соб­ст­вен­ных ио­нов, так и при­мес­ных. Воз­мож­ность пе­ре­ме­ще­ния ио­нов по кри­стал­лу свя­за­на с на­ли­чи­ем де­фек­тов в кри­стал­лах. Ес­ли, напр., в кри­стал­ле есть ва­кан­сия, то под дей­ст­ви­ем по­ля со­сед­ний ион мо­жет за­нять её, во вновь об­ра­зо­вав­шую­ся ва­кан­сию мо­жет пе­рей­ти сле­дую­щий ион и т. д. В ито­ге про­ис­хо­дит дви­же­ние ва­кан­сий, ко­то­рое при­во­дит к пе­ре­но­су за­ря­да че­рез весь кри­сталл. Пе­ре­ме­ще­ние ио­нов про­ис­хо­дит и в ре­зуль­та­те их пе­ре­ско­ков по меж­до­уз­ли­ям. С рос­том темп-ры ион­ная про­во­ди­мость воз­рас­та­ет. За­мет­ный вклад в элек­трич. про­во­ди­мость Д. мо­жет вно­сить по­верх­но­ст­ная про­во­ди­мость (см. По­верх­но­ст­ные яв­ле­ния).

Пробой диэлектриков

Плот­ность элек­трич. то­ка $j$ че­рез Д. про­пор­цио­наль­на на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля $\boldsymbol E$ (за­кон Ома): $\boldsymbol j=σ\boldsymbol E$, где $σ$ – элек­трич. про­во­ди­мость Д. Од­на­ко в дос­та­точ­но силь­ных по­лях ток на­рас­та­ет бы­ст­рее, чем по за­ко­ну Ома. При не­ко­то­ром кри­тич. зна­че­нии $E_{пр}$ на­сту­па­ет элек­трич. про­бой Д. Ве­ли­чи­на $Е_{пр}$ на­зы­ва­ет­ся элек­трич. проч­но­стью Д. При про­бое поч­ти весь ток те­чёт по уз­ко­му ка­на­лу (см. Шну­ро­ва­ние то­ка). В этом ка­на­ле $j$ дос­ти­га­ет боль­ших ве­ли­чин, что мо­жет при­вес­ти к раз­ру­ше­нию Д.: об­ра­зу­ет­ся сквоз­ное от­вер­стие или Д. про­плав­ля­ет­ся по ка­на­лу. В ка­на­ле мо­гут про­те­кать хи­мич. ре­ак­ции; напр., в ор­га­ни­че­ских Д. оса­ж­да­ет­ся уг­ле­род, в ион­ных кри­стал­лах – ме­талл (ме­тал­ли­за­ция ка­на­ла) и т. п. Про­бою спо­соб­ст­ву­ют все­гда при­сут­ст­вую­щие в Д. не­од­но­род­но­сти, по­сколь­ку в мес­тах не­од­но­род­но­стей по­ле $E$ мо­жет ло­каль­но воз­рас­тать.

В твёр­дых Д. раз­ли­ча­ют те­п­ло­вой и элек­трич. про­бои. При те­п­ло­вом про­бое с рос­том $j$ рас­тёт ко­ли­че­ст­во те­п­ло­ты, вы­де­ляе­мое в Д., и, сле­до­ва­тель­но, темп-ра Д., что при­во­дит к уве­ли­че­нию чис­ла но­си­те­лей за­ря­да $n$ и умень­ше­нию удель­но­го элек­трич. со­про­тив­ле­ния $ρ$. При элек­трич. про­бое с рос­том по­ля воз­рас­та­ет ге­не­ра­ция но­си­те­лей за­ря­да под дей­ст­ви­ем по­ля и $ρ$ то­же умень­ша­ет­ся.

Элек­трич. проч­ность жид­ких ди­элек­три­ков в силь­ной сте­пе­ни за­ви­сит от чис­то­ты жид­ко­сти. На­ли­чие при­ме­сей и за­гряз­не­ний су­ще­ст­вен­но по­ни­жа­ет $E_{пр}$. Для чис­тых од­но­род­ных жид­ких Д. $E_{пр}$ близ­ка к $E_{пр}$ твёр­дых Д. Про­бой в га­зе свя­зан с удар­ной ио­ни­за­ци­ей и про­яв­ля­ет­ся в ви­де элек­три­че­ско­го раз­ря­да.

Нелинейные свойства диэлектриков

Ли­ней­ная за­ви­си­мость $\boldsymbol P=ε_0ϰ\boldsymbol E$ спра­вед­ли­ва толь­ко для по­лей $E$, зна­чи­тель­но мень­ших внут­ри­кри­стал­ли­че­ских по­лей $E_{кр}$ ($E_{кр}$ по­ряд­ка 108 В/см). Т. к. $E_{пр}≪E_{кр}$, то в боль­шин­ст­ве Д. не уда­ёт­ся на­блю­дать не­ли­ней­ную за­ви­си­мость $P(E)$ в по­сто­ян­ном элек­трич. по­ле. Ис­клю­че­ние со­став­ля­ют сег­не­то­элек­три­ки, в ко­то­рых в сег­не­то­элек­трич. об­лас­ти и вбли­зи то­чек фа­зо­вых пе­ре­хо­дов на­блю­да­ет­ся силь­ная не­ли­ней­ная за­ви­си­мость $P(E)$. При вы­со­ких час­то­тах элек­трич. проч­ность Д. по­вы­ша­ет­ся, по­это­му не­ли­ней­ные свой­ст­ва лю­бых Д. про­яв­ля­ют­ся в ВЧ-по­лях боль­ших ам­пли­туд. В ча­ст­но­сти, в лу­че ла­зе­ра мо­гут быть соз­да­ны элек­трич. по­ля на­пря­жён­но­стью по­ряд­ка 10 8 В/см, в ко­то­рых ста­но­вят­ся су­ще­ст­вен­ны­ми не­ли­ней­ные свой­ст­ва Д., что по­зво­ля­ет осу­ще­ст­вить пре­об­ра­зо­ва­ние час­то­ты све­та, са­мо­фо­ку­си­ров­ку све­та и др. не­ли­ней­ные эф­фек­ты (см. Не­ли­ней­ная оп­ти­ка).

Применение диэлектриков

Д. ис­поль­зу­ют­ся гл. обр. как элек­тро­изо­ля­ци­он­ные ма­те­риа­лы. Пье­зо­элек­три­ки при­ме­ня­ют­ся для пре­об­ра­зо­ва­ния ме­ха­нич. сиг­на­лов (пе­ре­ме­ще­ний, де­фор­ма­ций, зву­ко­вых ко­ле­ба­ний) в элек­три­че­ские и на­обо­рот (см. Пье­зо­элек­три­че­ский пре­об­ра­зо­ва­тель); пи­ро­элек­три­ки – как те­п­ло­вые де­тек­то­ры разл. из­лу­че­ний, осо­бен­но ИК-из­лу­че­ния; сег­не­то­элек­три­ки, бу­ду­чи так­же пье­зо­элек­три­ка­ми и пи­ро­элек­три­ка­ми, при­ме­ня­ют­ся, кро­ме то­го, как кон­ден­са­тор­ные ма­те­риа­лы (из-за вы­со­кой ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти), а так­же как не­ли­ней­ные эле­мен­ты и эле­мен­ты па­мя­ти в раз­но­об­раз­ных уст­рой­ст­вах. Боль­шин­ст­во оп­тич. ма­те­риа­лов яв­ля­ет­ся ди­элек­три­ка­ми.

Лит.: Фре­лих Г. Тео­рия ди­элек­три­ков. М., 1960; Хип­пель А. Р. Ди­элек­три­ки и вол­ны. М., 1960; Фейн­ман Р., Лей­тон Р., Сэндс М. Фейн­ма­нов­ские лек­ции по фи­зи­ке. М., 1966. Вып. 5: Элек­три­че­ст­во и маг­не­тизм; Ка­лаш­ни­ков С. Г. Элек­три­че­ст­во. 5-е изд. М., 1985.

Вернуться к началу