ДИЭЛЕ́КТРИКИ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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.