Диэлектрики

ДИЭЛЕКТРИКИ, вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «диэлектрик» введён М. Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает электростатическое поле. При помещении в электрическое поле любого вещества электроны и атомные ядра испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, создавая электрический 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 электрическая проводимость) преобладает, вещества делят на диэлектрики (все неионизованные газы, некоторые жидкости и твёрдые тела) и проводники (металлы,  электролиты, плазма).

Электрическая проводимость диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков 10⁸-10¹⁷ Ом·см, металлов - 10^-6-10^-4 Ом·см.

Количественное различие в электрической проводимости диэлектриков и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, в то время как в диэлектриках все электроны связаны (принадлежат отдельным атомам) и электрическое поле не отрывает, а лишь слегка смещает их.

Квантовая теория твёрдого тела объясняет различие электрических свойств металлов и диэлектриков различным распределением электронов по энергетическим уровням. В диэлектриках верхний заполненный электронами энергетический 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 электрических полей электроны не могут (смотри Зонная теория). Действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности, которое приводит к поляризации диэлектрика.

Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации диэлектриков зависят от характера химической связи, т. е. распределения электронной плотности в диэлектриках. В ионных кристаллах (например, NaCl) поляризация является результатом сдвига ионов относительно друг друга (ионная поляризация), а также деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация), т. е. суммой ионной и электронной поляризаций. В кристаллах с ковалентной связью (например, алмаз), где электронная плотность равномерно распределена между атомами, поляризация обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих химическую связь. В так называемых полярных диэлектриках (например, твёрдый Н₂S) группы атомов представляют собой электрические диполи, которые ориентированы хаотически в отсутствии электрического поля, а в поле приобретают преимущественную ориентацию. Такая ориентационная поляризация типична для многих жидкостей и газов. Похожий механизм поляризации связан с «перескоком» под действием электрического поля отдельных ионов из одних положений равновесия в решётке в другие. Особенно часто такой механизм наблюдается в веществах с водородной связью (например, лёд), где атомы водорода имеют несколько положений равновесия.

Поляризация диэлектриков характеризуется вектором поляризации Р, который представляет собой электрический дипольный момент единицы объёма диэлектрика:

где p_i - дипольные моменты частиц (атомов, ионов, молекул), N - число частиц в единице объёма. Вектор Р зависит от напряжённости электрического поля Е. В слабых полях Ρ = ε₀ϰΕ. Коэффициент пропорциональности ϰ называется диэлектрической восприимчивостью. Часто вместо вектора Р используют вектор электрической индукции (1)

где ε - диэлектрическая проницаемость, ε₀ - электрическая постоянная. Величины ϰ и ε - основные характеристики диэлектрика. В анизотропных диэлектриках (например, в некубических кристаллах) направление Р определяется не только направлением поля Е, но и направлением осей симметрии кристалла. Поэтому вектор Р будет составлять различные углы с вектором Е в зависимости от ориентации Е по отношению к осям симметрии кристалла. В этом случае вектор D будет определяться через вектор Е с помощью не одной величины ε, а нескольких (в общем случае шести), образующих тензор диэлектрической проницаемости.

Диэлектрики в переменном поле. Если поле Е изменяется во времени t, то поляризация диэлектрика не успевает следовать за ним, так как смещения зарядов не могут происходить мгновенно. Поскольку любое переменное поле можно представить в виде совокупности полей, меняющихся по гармоническому закону, то достаточно изучить поведение диэлектрика в поле Е = Е₀sinωt, где ω - частота переменного поля, Е₀ - амплитуда напряжённости поля. Под действием этого поля D и Р будут колебаться тоже гармонически и с той же частотой. Однако между колебаниями Р и Е появляется разность фаз δ, что вызвано отставанием поляризации Р от поля Е. Гармонический закон можно представить в комплексном виде Е = Е₀e^iωt, тогда D = D₀e^iωt, причём D₀ = ε(ω)Ε₀. Диэлектрическая проницаемость в этом случае является комплексной величиной: ε(ω) = ε’ + iε’’, ε’ и ε’’ зависят от частоты переменного электрического поля ω.  Абсолютная  величина

определяет амплитуду колебания D, а отношение ε’/ε" = tgδ - разность фаз между колебаниями D и Е. Величина δ называется углом диэлектрических потерь. В постоянном электрическом поле ω = 0, ε"  = 0, ε’ = ε.

В переменных электрических полях высоких частот свойства диэлектрика характеризуются показателями преломления n и поглощения k (вместо ε’ и ε" ). Первый равен отношению скоростей распространения электромагнитных волн в диэлектрике и в вакууме. Показатель поглощения k характеризует затухание электромагнитных волн в диэлектрике. Величины n, k, ε’ и ε" связаны соотношением (2)

Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля. В ряде твёрдых диэлектриков (пироэлектриках, сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках, электретах) поляризация может существовать и без электрического поля, т. е. может быть вызвана другими причинами. Так, в пироэлектриках заряды располагаются столь несимметрично, что центры тяжести зарядов противоположного знака не совпадают, т. е. диэлектрик спонтанно поляризован. Однако поляризация в пироэлектриках проявляется только при изменении температуры, когда компенсирующие поляризацию электрические заряды не успевают перестроиться. Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики, спонтанная поляризация которых может существенно изменяться под влиянием внешних воздействий (температуры, электрического поля). В пьезоэлектриках поляризация возникает при деформации кристалла, что связано с особенностями их кристаллической 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 диэлектриках могут быть электроны и ионы. В обычных условиях электронная проводимость диэлектриков 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, например, 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 температуры ионная проводимость возрастает. Заметный вклад в электрическую проводимость диэлектрика может вносить поверхностная проводимость (смотри Поверхностные явления).

Пробой диэлектриков. Плотность электрического тока j через диэлектрик пропорциональна напряжённости электрического поля Е (закон Ома): j = ςЕ, где ς - электрическая проводимость диэлектрика. Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом значении Е_пр наступает электрический пробой диэлектрика. Величина Е_пр называется электрической прочностью диэлектрика. При пробое почти весь ток течёт по узкому каналу (смотри Шнурование тока). В этом канале j достигает больших величин, что может привести к разрушению диэлектрика: образуется сквозное отверстие или диэлектрик проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции; например, в органических диэлектриках осаждается углерод, в ионных кристаллах - металл (металлизация канала) и т. п. Пробою способствуют всегда присутствующие в диэлектрике неоднородности, поскольку в местах неоднородностей поле Е может локально возрастать.

В твёрдых диэлектриках различают тепловой и электрический пробои. При тепловом пробое с ростом j растёт количество теплоты, выделяемое в диэлектрике, и, следовательно, температура диэлектрика, что приводит к увеличению числа носителей заряда n и уменьшению удельного электрического сопротивления ρ. При электрическом пробое с ростом поля возрастает генерация носителей заряда под действием  поля  и  ρ тоже уменьшается.

Электрическая прочность жидких диэлектриков в сильной степени зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно понижает Е_пр. Для чистых однородных жидких диэлектриков Е_пр близка к Е_пр твёрдых диэлектриков. Пробой в газе связан с ударной ионизацией и проявляется  в  виде  электрического разряда.

Нелинейные свойства диэлектриков. Линейная зависимость Р = ε₀ϰЕ справедлива только для полей Е, значительно меньших внутрикристаллических полей Е_кр (Е_кр порядка 10⁸ В/см). Т.к. Е_пр << Е_кр, то в большинстве диэлектриков не удаётся наблюдать нелинейную зависимость Р(Е) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, в которых в сегнетоэлектрической области и вблизи точек фазовых переходов наблюдается сильная нелинейная зависимость Р(Е). При высоких частотах электрическая прочность диэлектрика повышается, поэтому нелинейные свойства любых диэлектриков проявляются в ВЧ-полях больших амплитуд. В частности, в луче лазера могут быть созданы электрические поля напряжённостью порядка 10⁸ В/см, в которых становятся существенными нелинейные свойства диэлектрика, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и другие нелинейные эффекты (смотри Нелинейная оптика).

Применение диэлектриков. Диэлектрики  используются главным образом как электроизоляционные материалы. Пьезоэлектрики применяются для преобразования механических сигналов (перемещений, деформаций, звуковых колебаний) в электрические и наоборот (смотри Пьезоэлектрический преобразователь); пироэлектрики - как тепловые детекторы различных излучений, особенно ИК-излучения; сегнетоэлектрики, будучи также пьезоэлектриками и пироэлектриками, применяются, кроме того, как конденсаторные материалы (из-за высокой диэлектрической проницаемости), а также как нелинейные элементы и элементы памяти в разнообразных устройствах. Большинство оптических 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.