Диэлектрики

Диэлектрики, вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин "Д." (от греч. diá - через и англ. electric - электрический) введён М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе, помещённом в электрическом поле, составляющие его электрические заряды (электроны, атомные ядра) испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, образуя электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что "центры тяжести" положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов - электропроводность или поляризация - преобладает, принято деление веществ на изоляторы (Д.) и проводники (металлы, электролиты, плазма). Электропроводность Д. по сравнению с металлами очень мала. Их удельное сопротивление r порядка 10⁸-10¹⁷ омЇсм, а у металлов r ~ 10^-6 - 10^-4 омЇсм. Существует и промежуточный класс - полупроводники, свойства которых определяются процессами как электропроводности, так и поляризации.

Количественное различие в электропроводности твёрдых Д. и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, а в Д. все электроны связаны, т. е. принадлежат отдельным атомам, и электрическое поле не отрывает, а лишь слегка смещает их. Однако такое объяснение неточно. Как показывает современная квантовомеханическая теория, твёрдое тело представляет собой как бы гигантскую "молекулу", где каждый электрон принадлежит всему кристаллу в целом. Это в одинаковой степени справедливо и для Д., и для металлов. Причиной различного поведения электронов в металле и в Д. является различный характер распределения электронов по уровням энергии.

Энергия электронов в твёрдом теле не может иметь произвольного значения. Области энергий, которыми электрон может обладать (разрешённые зоны), чередуются с интервалами энергий, которые электрон не может принимать (запрещённые зоны). Т. к., с одной стороны, электроны стремятся занять уровни с наименьшей энергией, а с др. стороны, в одном состоянии может находиться только один электрон, то электроны заполняют энергетические уровни от нулевого до некоторого максимального. В Д. верхний заполненный электронами энергетический уровень совпадает с верхней границей одной из разрешённых зон (рис. 1). В металлах же верхний заполненный электронами энергетический уровень лежит внутри разрешённой зоны (см. Твёрдое тело).

Для того чтобы в твёрдом теле под действием электрического поля возник электрический ток (направленное движение электронов), необходимо, чтобы часть электронов могла увеличивать свою энергию под действием поля, т. е. переходить с нижних энергетических уровней на более высокие. В металле такой переход возможен, т.к. к заполненным уровням непосредственно примыкают свободные. В Д. же ближайшие свободные уровни отделены от заполненных запрещённой зоной, которую электроны под действием обычных не слишком сильных электрических полей преодолеть не могут. В Д. действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности, которое приводит к поляризации Д. Распределение электронов по уровням энергии в полупроводниках и Д. сходно. Полупроводник отличается от Д. лишь более узкой запрещённой зоной. Поэтому при низких температурах свойства полупроводников и Д. близки, а при повышении температуры электропроводность полупроводников возрастает и становится заметной. Резкой грани между Д. и полупроводниками провести нельзя. Вещества с шириной запрещённой зоны DE < 2-3 эв относят к полупроводникам, а с DE > 2-3 эв - к Д.
Выше шла речь о твёрдых Д. Однако Д. могут быть также жидкости (см. Жидкие диэлектрики) и газы. В обычных условиях все газы состоят в основном из нейтральных атомов и молекул и поэтому не проводят электрического тока, т. е. являются Д. С повышением температуры атомы и молекулы ионизируются и газ постепенно превращается в плазму, хорошо проводящую электрический ток. Ниже речь будет идти о твёрдых Д.
Поляризация Д. Механизмы поляризации Д. могут быть различными. Они зависят от характера химической связи, т. е. распределения электронных плотностей в Д. Например, в ионных кристаллах (каменная соль NaCl и др.), где электроны распределены так, что можно выделить отдельные ионы, поляризация является результатом сдвига ионов друг относительно друга (ионная поляризация, рис. 2, а), а также деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация). Иными словами, поляризация в этом случае является суммой ионной и электронной поляризаций. В кристаллах с ковалентной связью (например, в алмазе), где электронные плотности равномерно распределены между атомами, поляризация обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих химическую связь (рис. 2, б). В полярных Д. (например, твёрдый сероводород) группы атомов - молекулы или радикалы представляют собой электрические диполи, которые в отсутствии электрического поля ориентированы хаотически, а под действием поля эти диполи ориентируются вдоль него (рис. 2, в). Такая ориентационная (дипольная) поляризация типична для полярных жидкостей и газов. Сходный механизм поляризации связан с перескоком под действием электрического поля отдельных ионов из одних возможных положений равновесия в решётке в другие. Особенно часто такой механизм поляризации наблюдается в веществах с водородной связью (например, у льда), где ионы водорода имеют несколько положений равновесия.
Поляризацию Д. характеризуют вектором поляризации P, который представляет собой дипольный момент единицы объёма Д. Дипольный момент нейтральной в целом системы зарядов есть вектор, равный произведению расстояния между центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов на величину заряда одного знака. Направлен этот вектор от центра тяжести отрицательных к центру тяжести положительных зарядов. Вектор P зависит от напряжённости электрического поля Е. Поскольку сила, действующая на заряд, пропорциональна Е, то, естественно, что при малых полях величина Р пропорциональна Е. Коэффициент пропорциональности c в соотношении P = cЕ называется диэлектрической восприимчивостью Д. Часто оказывается удобным вместо вектора P пользоваться вектором электрической индукции D = Е + 4pP.
Коэффициент пропорциональности e в соотношении D = eЕ называется диэлектрической проницаемостью. Ясно, что e = 1 + 4pc.
В вакууме c = 0 и e = 1 (в системе единиц СГСЕ). Значение e (или c) является основной характеристикой Д.
В анизотропных Д. (например, в некубических кристаллах) направление вектора поляризации P определяется не только направлением поля Е, но также выделенными направлениями среды, например осями симметрии кристалла. Поэтому вектор P будет составлять различные углы с вектором Е в зависимости от ориентации Е по отношению к осям симметрии. В результате вектор D будет определяться через вектор E с помощью не одной величины e, а несколькими величинами (в общем случае - шестью), образующими тензор диэлектрической проницаемости (см. Анизотропия).
Д. в переменном поле. Если электрическое поле Е изменяется во времени, то величина поляризации в заданный момент времени t не определяется значением поля Е в тот же момент времени t. Поляризация Д. не успевает следовать за вызывающим её электрическим полем, т.к. смещения зарядов не могут происходить мгновенно (рис. 3).
Т. к. любое переменное поле можно представить в виде совокупности полей, меняющихся по гармоническому закону (см. Фурье ряд, Фурье интеграл), то достаточно изучить поведение Д. в поле Е = Е₀ ´ cos wt, где w - частота переменного поля. Под действием такого поля величины D и P будут колебаться также гармонически с той же частотой w. Однако между колебаниями D и Е будет существовать разность фаз, что вызвано отставанием поляризации P от поля Е.
Гармонический закон можно представить в комплексном виде: Е = E₀e^iwt (см. Комплексная амплитуда). Тогда D = D₀e^iwt, причём амплитуды колебаний D и Е связаны соотношением: D₀ = e (w) E₀. Диэлектрическая проницаемость e (w) в этом случае является комплексной величиной: e(w) = e₁ + ie₂, и характеризуется двумя величинами e₁ и e₂, зависящими от частоты w переменного поля. Абсолютная величина
определяет амплитуду колебания D, а отношение (e₂/e₁) = tg d определяет разность фаз d между колебаниями D и Е. Величина d называется углом диэлектрических потерь. Это название связано с тем, что наличие разности фаз d приводит к поглощению энергии электрического поля в Д. Действительно, работа, совершаемая полем Е в единице объёма Д., выражается интегралом
Взятый за один период колебания, этот интеграл обращается в ноль, если P и Е колеблются синфазно (d = 0) или в противофазе (d = p). В остальных случаях интеграл отличен от нуля. Доля энергии, теряемой за один период, равна e₂. В постоянном электрическом поле (w = 0) e₂ = 0, a e₁ совпадает с e.
В переменных электрических полях очень высоких частот (например, электромагнитные волны оптического диапазона) свойства Д. принято характеризовать преломления показателем n и поглощения показателем k (вместо e₁ и e₂). Коэффициент преломления n равен отношению скоростей распространения электромагнитных волн в Д. и в вакууме. Коэффициент поглощения k характеризует затухание электромагнитных волн в Д. Величины n, k и e₁, e₂ связаны соотношением:
Дисперсия диэлектрической проницаемости. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты w переменного поля e(w) = e₁(w) + ie₂(w) называется дисперсией диэлектрической проницаемости. Характер дисперсии определяется процессом установления поляризации во времени. Если процесс установления поляризации - релаксационный (рис. 3, а), то дисперсия будет иметь вид, изображенный на рис. 4, а. Когда период колебания электрического поля велик по сравнению с временем релаксации t (частота w мала по сравнению с 1/t), поляризация успевает следовать за полем и поведение Д. в переменном электрическом поле не будет существенно отличаться от его поведения в постоянном поле (т. е. e₁ = e, e₂ = 0, как на рис. 3, а). При частотах w " 1/t Д. не будет успевать поляризироваться, т. е. амплитуда P будет очень мала по сравнению с величиной поляризации P₀ в постоянном поле. Это значит, что e₁ " 1, а e₂ " 0. Т. о., e₁ с ростом частоты изменяется от e до 1. Наиболее резкое изменение e₁ происходит как раз на частотах w ~ 1/t. На этих же частотах e₂ проходит через максимум. Такой характер дисперсии e (w) называется релаксационным. Если поляризация в процессе установления испытывает колебания, как показано на рис. 3, б, то дисперсия e (w) будет иметь вид, изображенный на рис. 4, б. В этом случае характер дисперсии называется резонансным.
В реальном веществе дисперсия e (w) имеет более сложный характер, чем на рис. 4. На рис. 5 изображена зависимость e (w), характерная для широкого класса твёрдых Д. Из рис. 5 видно, что можно выделить несколько областей дисперсии в разных диапазонах частот. Наличие этих, обычно чётко разграниченных, областей указывает на то, что поляризация Д. обусловлена различными механизмами. Например, в ионных кристаллах поляризацию можно представить как сумму ионной и электронной поляризаций. Типичные периоды колебаний ионов ~ 10^-13 сек. Поэтому дисперсия e (w), обусловленная ионной поляризацией, приходится на частоты ~ 10¹³ гц (инфракрасный диапазон). Характер дисперсии обычно резонансный. При более высоких частотах ионы уже не успевают смещаться и весь вклад в поляризацию обусловлен электронами. Характерные периоды колебаний электронов определяются шириной запрещённой зоны Д. Когда энергия фотона ·w (· - Планка постоянная) становится больше ширины запрещённой зоны, фотон может поглотиться, вызвав переход электрона через запрещённую зону. В результате электромагнитные волны на таких частотах (w ~ 10¹⁵ гц - ультрафиолетовый диапазон) сильно поглощаются, т. е. резко возрастает величина e₂. При меньших частотах (в частности, для видимого света) чистые однородные Д., в отличие от металлов, обычно прозрачны. В полярных Д. под действием электрического поля происходит ориентация диполей. Характерные времена установления поляризации при таком ориентационном механизме сравнительно велики: t ~ 10^-6-10^-8 сек (диапазон сверхвысоких частот). Характер дисперсии при этом обычно релаксационный. Т. о., изучая зависимость e (w), можно получить сведения о свойствах Д. и выделить вклад в поляризацию от различных механизмов поляризации.
Диэлектрическая проницаемость разных веществ. Статическое значение диэлектрической проницаемости e существенно зависит от структуры вещества и от внешних условий (например, от температуры), обычно меняясь в пределах от 1 до 100-200 (у сегнетоэлектриков до 10⁴-10⁵, таблица 1).
Таблица 1. - Диэлектрическая проницаемость e некоторых твёрдых диэлектриков Диэлектрик e
Kaмeнная соль, NaCI ????????????... Рутил, Ti0₂ (вдоль оптической оси) ??????.
Алмаз, С ???????????????............ Кварц, Si0₂ ??????????????............ Лёд, Н₂0 (при - 5?С) ???????????....... Титанат бария, ВаТi0₃ (при 20?С перпендикуляр-
? но оптической оси) 6,3 170 5,7 4,3 73   4000
Такой разброс значений e объясняется тем, что в разных веществах основной вклад в e на низких частотах дают различные механизмы поляризации. В ионных кристаллах наиболее существенна ионная поляризация. На высоких частотах (w ³ 10¹⁴ гц) значения e (w) для разных ионных кристаллов близки к 1. Это обусловлено тем, что вклад от электронной поляризации, которая для этих частот только и имеет место, невелик. В ковалентных кристаллах, где основной вклад в поляризацию даёт перераспределение валентных электронов, статическая проницаемость e мало отличается от высокочастотной e₁ (w). При этом величина e зависит от жёсткости ковалентной связи, которая тем меньше, чем уже запрещённая зона D. Например, для алмаза (D = 5,5 эв) e = 5,7. Для кремния (D = 1,1 эв) e = 12. Большой вклад в e₁ даёт ориентационная поляризация. Поэтому в полярных Д. e сравнительно велика, например для воды e = 81.
Методы измерения диэлектрической проницаемости различны для разных частот (см. Диэлектрические измерения).
Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля. До сих пор рассматривались Д., в которых поляризация возникала под действием внешнего электрического поля. Однако в ряде твёрдых Д. наличие поляризации может быть вызвано др. причинами. В пироэлектриках поляризация существует и без электрического поля. В таких кристаллах заряды располагаются столь несимметрично, что центры тяжести зарядов противоположного знака не совпадают, т. е. Д. спонтанно (самопроизвольно) поляризован. В пьезоэлектриках поляризация возникает при деформировании кристалла. Это связано с особенностями строения кристаллической решётки таких веществ (см. Пьезоэлектричество).
Большой интерес представляют сегнетоэлектрики, которые являются особой разновидностью пироэлектриков. Спонтанная поляризация сегнетоэлектриков существенно меняется, в отличие от обычных пироэлектриков, под влиянием внешних воздействий (температуры, электрического поля). Сегнетоэлектрики поэтому характеризуются очень большими значениями e, сильной нелинейной зависимостью P от Е, доменной структурой (см. Домены) и наличием спонтанной поляризации лишь в определённом интервале температур. В этом смысле диэлектрические свойства сегнетоэлектриков аналогичны магнитным свойствам ферромагнетиков.
Поляризация в отсутствии электрического поля может наблюдаться также в некоторых веществах типа смол и стёкол, называемых электретами. Поляризованные при высоких температурах, а затем охлаждённые, электреты сохраняют достаточно долгое время поляризацию без поля.
Электропроводность Д. мала, однако всегда отлична от нуля (таблица 2). Носителями тока в Д. могут быть электроны и ионы. Электронная проводимость Д. обусловлена теми же причинами, что и электропроводность полупроводников. В обычных условиях, однако, 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 тесно связана с наличием дефектов в кристаллах. Если, например, в кристалле есть вакансии (незанятые узлы кристаллической решётки), то под действием поля ион может перескочить на соседнее с ним вакантное место. Во вновь образовавшуюся вакансию может перескочить следующий ион и т.д. В итоге происходит движение вакансий, которое приводит к переносу заряда через весь кристалл. Перемещение ионов может происходить и в результате перескоков ионов по междоузлиям. С ростом температуры ионная проводимость сильно возрастает. Заметный вклад в электропроводность Д. может вносить поверхностная проводимость.
Пробой. Электрический ток в Д. пропорционален напряжённости электрического поля Е (Ома закон). Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом поле Е_пр наступает электрический пробой Д. Величина Е_пр называется электрической прочностью Д. (таблица 2). При пробое однородное токовое состояние становится неустойчивым и почти весь ток начинает течь по узкому каналу. Плотность тока j в этом канале достигает очень больших значений, что приводит к необратимым изменениям в Д.
Табл. 2. - Удельное сопротивление r и электрическая прочность Е_пр некоторых твёрдых диэлектриков, используемых в качестве изоляционных материалов Диэлектрический материал r, омЇсм Е_пр, в/см
Кварцевое стекло ??.??.. Полиэтилен ?????.?..... Слюда ????????........ Электрофарфор ?????.. Мрамор ????????..... 10¹⁶-10¹⁸ 10¹⁵-10¹⁶ 10¹⁴-10¹⁶ 10¹³-10¹⁴ 10⁸-10⁹ 2-3Ї10⁵ 4Ї10⁵ 1-2Ї10⁶ 3Ї10⁵ 2-3Ї10⁵
На рис. 6 приведена зависимость плотности тока j от напряжённости электрического поля Е, рассчитанная в предположении, что ток однороден по сечению образца. Эта зависимость может быть описана соотношением:
где удельное сопротивление r не постоянная величина, как в законе Ома, а зависит от j. Дифференцируя это соотношение, получим выражение:
из которого видно, что, если величина
отрицательна, то с ростом j величина
может стать отрицательной (дифференциальное отрицательное сопротивление). Состояние с отрицательным дифференциальным сопротивлением является неустойчивым и приводит к образованию канала тока при Е = Е_пр.
В твёрдых Д. различают тепловой и электрический пробой. При тепловом пробое с ростом j растёт джоулево тепло и, следовательно, температура Д., что приводит к увеличению числа носителей тока n. В результате r падает. При электрическом пробое с ростом j также возрастает число носителей n, а r c увеличением n падает.
В реальных Д. большую роль при пробое играют всегда присутствующие неоднородности. Они способствуют пробою, т.к. в местах неоднородности Е может локально возрасти. Необратимые изменения в Д., связанные с образованием токового канала при пробое, могут быть разного характера. Например, в Д. образуется сквозное отверстие или Д. проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции, например в органических Д. осаждается углерод, в ионных Д. выпадает металл (металлизация канала).
Электрическая прочность жидких Д. в сильной степени зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно понижает Е_пр. Для чистых, однородных жидких Д. Е_пр близка к Е_пр твёрдых Д.
Пробой в газах связан с механизмом ударной ионизации и проявляется в виде электрического разряда в газах.
Нелинейные свойства Д. Поляризация Д., как указывалось выше, пропорциональна напряжённости электрического поля. Однако такая линейная зависимость справедлива только для электрических полей, значительно меньших внутрикристаллических полей Е_кр ~ 10⁸ в/см (см. Кристаллическое поле). Т. к. обычно Е_пр " Е_кр, то в большинстве Д. не удаётся наблюдать нелинейную зависимость P (Е) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, где в определённом интервале температур (в сегнетоэлектрической области и вблизи точек фазовых переходов) наблюдается сильная нелинейная зависимость P (Е).
При высоких частотах электрическая прочность Д. повышается, поэтому нелинейные свойства любых Д. проявляются в высокочастотных полях больших амплитуд. В луче лазера могут быть созданы электрические поля напряжённости 10⁸ в/см. В таких полях становятся очень существенными нелинейные свойства Д., что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и др. нелинейные эффекты (см. Нелинейная оптика).
Д. в науке и технике используются прежде всего как электроизоляционные материалы. Для этого необходимы Д. с большим удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью и малым углом диэлектрических потерь. Д. с высоким значением e используются как конденсаторные материалы. Ёмкость конденсатора, заполненного Д., возрастает в e раз. Пьезоэлектрики широко применяются для преобразований звуковых колебаний в электрические и наоборот (приёмники и излучатели ультразвука, звукосниматели и др., см. Пьезоэлектрический датчик). Пироэлектрики служат для индикации и измерения интенсивности инфракрасного излучения. Сегнетоэлектрики применяют в радиотехнике для создания нелинейных элементов, входящих в состав различных схем (усилители, стабилизаторы частоты и преобразователи электрических сигналов, схемы регулирования и др.).
Д. используются и в оптике. Чистые Д. прозрачны в оптическом диапазоне. Вводя в Д. примеси, можно окрасить его, сделав непрозрачным для определённой области спектра (фильтры). Диэлектрические кристаллы используются в квантовой электронике (в квантовых генераторах света - лазерах и квантовых усилителях СВЧ). Ведутся работы по использованию Д. в вычислительной технике и т. п.
Лит.: Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, [в. 5] - Электричество и магнетизм, пер. с англ., М., 1966; Калашников С. Г., Электричество, 2 изд., М., 1964; Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960; Сканави Г. И., Физика диэлектриков (Область слабых полей), М. - Л., 1949; его же, Физика диэлектриков (Область сильных полей), М. -Л., 1958; Фрёлих Г., Теория диэлектриков, М., 1960; Хиппель А. Р., Диэлектрики и волны, пер. с англ., М., 1960; Желудев И. С., Физика кристаллических диэлектриков, М., 1968.
? А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.