Диэлектрики: что это такое, примеры

Определение 1

Диэлектриками называют вещества, не обладающие способностью проводить электрический ток.

Стоит отметить, что данное определение лишь приблизительно выражает физический смысл приведенного понятия.

Абсолютных изоляторов, то есть веществ, которые совсем не проводят ток, в природе не существует. Диэлектрики по сравнению с проводниками в 1015−1020 раз хуже проводят ток. Данный факт основывается на том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.

Что такое диэлектрики и их примеры

Определение 2

Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то, как диэлектрик, так и само поле значительно изменятся. В диэлектриках, в которых до контакта с полем не было заряда, возникают электрические заряды. Это явление объясняется процессом поляризации вещества, другими словами, в поле диэлектрик обретает электрические полюсы. Возникающие при этом заряды называются поляризационными.

Разделить такие заряды невозможно, чем они существенно отличаются от индукционных зарядов в проводниках. Данное отличие основывается на том факте, что в металлах присутствуют электроны, имеющие возможность перемещаться на относительно большие расстояния. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой, и их перемещение ограничено пределами одной молекулы, что является крайне малым расстоянием.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из закрепленных в положении равновесия, к примеру, в узлах кристаллической решетки заряженных ионов. Ионные кристаллические решетки могут быть разбиты на, в целом, нейтральные «элементарные ячейки».

Действие электрического поля на заряды, принадлежащие диэлектрику, провоцирует лишь легкое смещение относительно изначального положения, тогда как заряды проводников, испытывающие такое же влияние, срываются с места. В условиях отсутствующего электрического поля диэлектрик может быть условно представлен в виде совокупности молекул, в каждой из которых положительные и отрицательные заряды равные по величине распределены по всему объему вещества.

Определение 3

В процессе поляризации заряды каждой отдельной молекулы диэлектрика смещаются в противоположные ее стороны. Соответственно, одна часть молекулы становиться положительно заряженной, а другой — отрицательно, что, в общем, дает возможность заявить: молекула превращается в электрический диполь.

Равнодействующая электрических сил, в однородном поле оказывающих влияние на нейтральную молекулу диэлектрика, эквивалентна нулю. Этот факт основывается на том, что центр тяжести молекулы не передвигается ни в одну из сторон. Молекула просто пре

Диэлектрики — это… Что такое Диэлектрики?

        вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «Д.» (от греч. diá — через и англ. electric — электрический) введён М. Фарадеем (См. Фарадей) 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 ρ порядка 10 ⁸—10¹⁷ом·см, а у металлов ρ Диэлектрики 10^-6 — 10^-4ом·см. 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 (См. Уровни 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 Δ E эв относят к полупроводникам, а с ΔE > 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 (См. Химическая связь), т. е. распределения электронных плотностей в Д. Например, в ионных кристаллах (См. Ионные кристаллы) (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 χ в соотношении P = χЕ называется диэлектрической восприимчивостью Д. Часто оказывается удобным вместо вектора P пользоваться вектором электрической индукции

         D = Е + 4πP.

        Коэффициент пропорциональности ε в соотношении D = εЕ называется диэлектрической проницаемостью. Ясно, что

         ε = 1 + 4πχ.

        В вакууме χ = 0 и ε = 1 (в системе единиц СГСЕ). Значение ε (или χ) 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 (См. Симметрия кристаллов). 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 ε, 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 ωt, где ω — частота переменного поля. Под действием такого поля величины D и P будут колебаться также гармонически с той же частотой ω. 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^iωt (см. Комплексная амплитуда). Тогда D = D₀e^iωt, причём амплитуды колебаний D и Е связаны соотношением: D₀ = ε (ω) E₀. Диэлектрическая проницаемость ε (ω) в этом случае является комплексной величиной: ε(ω) = ε₁ + iε₂, и характеризуется двумя величинами ε₁ и ε₂, зависящими от частоты ω переменного поля. Абсолютная величина         

        определяет амплитуду колебания D, а отношение (ε₂/ε₁) = tg δ определяет разность фаз δ между колебаниями D и Е. Величина δ называется углом диэлектрических потерь. Это название связано с тем, что наличие разности фаз δ 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 (δ = 0) или в противофазе (δ = π). В остальных случаях интеграл отличен от нуля. Доля энергии, теряемой за один период, равна ε₂. В постоянном электрическом поле (ω = 0) ε₂ = 0, a ε₁ совпадает с ε.

         В переменных электрических полях очень высоких частот (например, электромагнитные волны оптического диапазона) свойства Д. принято характеризовать преломления показателем (См. Преломления показатель) n и поглощения показателем (См. Поглощения показатель) k (вместо ε₁ и ε₂). 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 ε₁, ε₂ связаны соотношением:         

         Дисперсия диэлектрической проницаемости. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты ω переменного поля ε(ω) = ε₁(ω) + iε₂(ω) 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 τ (частота ω мала по сравнению с 1/τ), поляризация успевает следовать за полем и поведение Д. в переменном электрическом поле не будет существенно отличаться от его поведения в постоянном поле (т. е. ε₁ = ε, ε₂ = 0, как на рис. 3, а). При частотах ω » 1/τ Д. не будет успевать поляризироваться, т. е. амплитуда P будет очень мала по сравнению с величиной поляризации P₀ в постоянном поле. Это значит, что ε₁ ≈ 1, а ε₂ ≈ 0. Т. о., ε₁ с ростом частоты изменяется от ε до 1. Наиболее резкое изменение ε₁ происходит как раз на частотах ω Диэлектрики 1/τ. На этих же частотах ε₂ проходит через максимум. Такой характер дисперсии ε (ω) называется релаксационным. Если поляризация в процессе установления испытывает колебания, как показано на рис. 3, б, то дисперсия ε (ω) будет иметь вид, изображенный на рис. 4, б. В этом случае характер дисперсии называется резонансным.

         В реальном веществе дисперсия ε (ω) имеет более сложный характер, чем на рис. 4. На рис. 5 изображена зависимость ε (ω), 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 Диэлектрики 10^-13сек. Поэтому дисперсия ε (ω), обусловленная ионной поляризацией, приходится на частоты Диэлектрики 10¹³гц (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 ћω (ћ — Планка постоянная) становится больше ширины запрещённой зоны, фотон может поглотиться, вызвав переход электрона через запрещённую зону. В результате электромагнитные волны на таких частотах (ω Диэлектрики 10¹⁵гц — ультрафиолетовый диапазон) сильно поглощаются, т. е. резко возрастает величина ε₂. 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: τ Диэлектрики 10^-6—10^-8сек (диапазон сверхвысоких частот). Характер дисперсии при этом обычно релаксационный. Т. о., изучая зависимость ε (ω), можно получить сведения о свойствах Д. и выделить вклад в поляризацию от различных механизмов поляризации.

         Диэлектрическая проницаемость разных веществ. Статическое значение диэлектрической проницаемости ε 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 ε некоторых твёрдых диэлектриков

        —————————————————————————————————————————————

        | Диэлектрик                                                                       | ε                                        |

        |————————————————————————————————————————————-|

        | Kaмeнная соль, NaCI                                                        | 6,3                                     |

        |————————————————————————————————————————————-|

        | Рутил, Ti0₂ (вдоль оптической оси)                                   | 170                                    |

        |————————————————————————————————————————————-|

        | Алмаз, С                                                                           | 5,7                                     |

        |————————————————————————————————————————————-|

        | Кварц, Si0₂                                                                        | 4,3                                     |

        |————————————————————————————————————————————-|

        | Лёд, Н₂0 (при — 5°С)                                                        | 73                                      |

        |————————————————————————————————————————————-|

        | Титанат бария, ВаТi0₃ (при 20°С перпендикулярно            | 4000                                  |

        | оптической оси)                                                                |                                          |

        —————————————————————————————————————————————

        

         Такой разброс значений ε объясняется тем, что в разных веществах основной вклад в ε на низких частотах дают различные механизмы поляризации. В ионных кристаллах наиболее существенна ионная поляризация. На высоких частотах (ω ≥ 10¹⁴гц) значения ε (ω) 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 ε мало отличается от высокочастотной ε₁ (ω). При этом величина ε зависит от жёсткости ковалентной связи, которая тем меньше, чем у́же запрещённая зона Δ. Например, для алмаза (Δ = 5,5 эв) ε = 5,7. Для кремния (Δ = 1,1 эв) ε = 12. Большой вклад в ε₁ даёт ориентационная поляризация. Поэтому в полярных Д. ε сравнительно велика, например для воды ε = 81.

         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 (См. Пироэлектрики) 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 ε, сильной нелинейной зависимостью P от Е, доме́нной структурой (см. Домены) и наличием спонтанной поляризации лишь в определённом интервале температур. В этом смысле диэлектрические свойства сегнетоэлектриков аналогичны магнитным свойствам ферромагнетиков (См. Ферромагнетики).          Поляризация в отсутствии электрического поля может наблюдаться также в некоторых веществах типа смол и стёкол, называемых электретами (См. Электреты). 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 (См. Полупроводники). 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 (См. Дефекты в кристаллах). Если, например, в кристалле есть вакансии (См. Вакансия) (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_прнаступает электрический пробой Д. Величина Е_пр называется электрической прочностью Д. (таблица 2). При пробое однородное то́ковое 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 ρ и электрическая прочность Е_пр некоторых твёрдых диэлектриков, используемых в качестве изоляционных материалов

        ———————————————————————————————————————————————————

        | Диэлектрический материал             | ρ, ом·см                                 | Е_пр, в/см                                 |

        |——————————————————————————————————————————————————-|

        | Кварцевое стекло                           | 10¹⁶-10¹⁸                                 | 2—3·10⁵                                 |

        |——————————————————————————————————————————————————-|

        | Полиэтилен                                    | 10¹⁵-10¹⁶                                 | 4·10⁵                                      |

        |——————————————————————————————————————————————————-|

        | Слюда                                            | 10¹⁴-10¹⁶                                 | 1—2·10⁶                                 |

        |——————————————————————————————————————————————————-|

        | Электрофарфор                             | 10¹³-10¹⁴                                 | 3·10⁵                                      |

        |——————————————————————————————————————————————————-|

        | Мрамор                                          | 10⁸-10⁹                                   | 2—3·10⁵                                 |

        ———————————————————————————————————————————————————

        

         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 ρ 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 ρ падает. При электрическом пробое с ростом j также возрастает число носителей n, а ρ 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 (См. Электрический разряд 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 Диэлектрики 10⁸в/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 10⁸в/см. В таких полях становятся очень существенными нелинейные свойства Д., что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света (См. Самофокусировка 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 (См. Электрическая прочность) и малым углом диэлектрических потерь (См. Диэлектрические потери). Д. с высоким значением ε используются как конденсаторные материалы. Ёмкость конденсатора, заполненного Д., возрастает в ε 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 (См. Инфракрасное излучение). 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 (См. Квантовая электроника) (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.

        

        Рис. 1. Уровни энергии электронов твёрдого тела группируются в разрешённые зоны (валентная зона и зона проводимости), разделённые запрещёнными зонами.

        

        Рис. 2. Поляризация диэлектриков в поле Е: а — ионная и электронная поляризации ионных кристаллов; б — электронная поляризация ковалентных кристаллов; в — ориентационная поляризация полярных диэлектриков.

        

        Рис. 3 а, б. Две характерные зависимости поляризации диэлектрика Р от времени t. Постоянное электрическое поле Е включается в момент времени t = 0.

        

        Рис. 4. а — релаксационный характер дисперсии диэлектрической проницаемости ε(ω), соответствующий зависимости P(t), изображенной на рис. 3, а; б — резонансный характер дисперсии диэлектрической проницаемости ε(ω), соответствующий зависимости, изображенной на рис. 3, б.

        

        Рис. 5. Зависимость ε₁ твёрдого диэлектрика от частоты ω поля Е.

        

        Рис. 6. Зависимость плотности тока j от напряжения электрического поля Е в диэлектрике; пунктир соответствует неустойчивым состояниям.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Одним из основных понятий электрики является электрическое поле. Благодаря ему, все электрические заряды способны взаимодействовать между собой. Оно образовано суммой электрических полей, существующих в каждом заряде. Все тела, помещенные в эту среду, разделяются, как проводники и диэлектрики в электрическом поле, выполняющие собственные функции, в зависимости от их физических свойств.

Проводники в электрическом поле

Проводники свободно пропускают через себя электрозаряды, поскольку содержат в себе заряженные свободные носители. Классические проводники представлены различными видами металлов и электролитами.

Когда проводник попадает в электрическое поле, в нем возникает движение свободных зарядов. Оно прекращается при нулевом значении напряженности. Разноименные заряды могут разделяться и тогда наблюдается явление электростатической индукции. В этом случае прекращается перемещение свободных зарядов вдоль поверхности проводника. Когда распределение достигает определенного значения, вектор напряженности в поле становится перпендикулярным проводнику.

Все эти свойства проводников, на которые воздействует поле используются на практике в различных приборах и устройствах.

Диэлектрики

Тела, которые состоят из веществ, не проводящих электроразряды, получили название диэлектриков. Это связано с тем, что в них отсутствуют свободные заряды. В электротехнике такие тела играют роль изоляторов.

При помещении диэлектрика в электрическое поле, в нем не будет происходить перераспределения зарядов. Сам диэлектрик будет нейтральным на обоих концах. Тем не менее, незаряженное диэлектрическое тело может притягиваться к заряженному объекту, поскольку поле создает поляризацию диэлектрика. При этом, разноименные заряды, связанные между собой и находящиеся в составе молекул и атомов, смещаются в противоположные стороны.

Диэлектрики могут быть полярными и неполярными. В первом случае распределение положительных и отрицательных зарядов в молекулах не совпадает. Эти нейтральные системы называются электрическими диполями. В неполярных диэлектриках центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Их типичными представителями являются водород, кислород, инертные газы.

Следует отметить, что разделение веществ на проводники и диэлектрики достаточно условно, поскольку свободные заряды в различных количествах содержатся в каждом диэлектрике.

Диэлектрик — это… Что такое Диэлектрик?

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Физические свойства

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10⁻⁵ Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 10⁸ Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10⁻⁸ Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 10¹⁶ Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10⁻⁵—10⁸ Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические высокочастотные свойства сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.

Удельное сопротивление деионизированной воды (см. также: бидистиллят) — 10-20 МОм·см.

Параметры

Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.

Примеры

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства. К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.

Использование

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

Пассивные свойства диэлектриков

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активные свойства диэлектриков

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

См. также

Ссылки

Активные диэлектрики

Активными называются диэлектрики, свойствами которых можно управлять внешними энергетическими воздействиями и применять эти свойства для создания устройств функциональной электроники.

Активные диэлектрики позволяют осуществить генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, а так же запоминание и преобразование информации различного рода.

К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо-, пироэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники (лазерные материалы), жидкие кристаллы, электро-, акусто-, магнитооптические материалы.

Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только кристаллические, но также жидкие и газообразные вещества (например, СО₂).

Строгого деления между различными классами материалов здесь так же нет. Нельзя однозначно сказать, что данный диэлектрик является активным или пассивным, то есть, классификация условна. Одни и те же материалы в различных условиях могут относиться к различным группам.

Например, кристаллическая β-модификация SiO₂– кварц, активный диэлектрик.

SrTiO₃– пьезоэлектрик.

Сегнетоэлектрики

Это вещества, обладающие способностью к спонтанной поляризации, направление которой может изменяться под действием внешнего поля. Они имеют так называемую доменную структуру.

Домены– это макроскопические области, молекулы в которых спонтанно (от природы) ориентированы, и поэтому суммарный электрический момент каждого домена отличен от нуля (это области, которые поляризованы до насыщения). У всего объёма вещества в природе суммарный электрический момент может быть равен нулю, так как сегнетоэлектрик, не подвергавшийся воздействию электрического поля, состоит из множества доменов, направление поляризации которых различны.

Иллюстрацией этого может служить рисунок 43. Необходимо помнить, что это проекция ориентации электрических моментов на плоскость.

Рисунок 43

Сегнетоэлектрики – это кристаллические вещества, и если кристалл сегнетоэлектрика имеет малые размеры, то он может состоять из одного домена, размер которого колеблется от 10^-4до 10^-1см. Однако природа стремится к минимуму энергии, который соответствует неполяризованному материалу. Следовательно, при выделении одного домена, он, как правило, разделяется на два с антипараллельной ориентацией электрических моментов.

Внешнее электрическое поле изменяет направление поляризации доменов, при этом происходит как бы разрастание доменов, изначально сориентированных по направлению воздействия поля, за счёт поглощения соседних. При приложении достаточно сильного электрического поля монокристалл сегнетоэлектрика переходит в однодоменное состояние. У поликристаллического тела смещению доменных границ препятствуют границы зёрен, но и поликристалл тоже переводится в квазиоднодоменное состояние.

Наличие спонтанной поляризации приводит к очень большим величинам диэлектрической проницаемости – до нескольких тысяч единиц. Как следствие – из них можно изготавливать малогабаритные конденсаторы очень большой ёмкости. Однако, под действием переменного электрического поля переполяризация в них происходит не сразу, в результате чего сегнетоэлектрики обладают петлёй гистерезиса.

Рисунок 44

где D– электрическая индукция,

Dr– величина остаточной индукции при внешнем электрическом поле, равном 0,

Е_с– коэрцитивная сила – напряжённость внешнего электрического поля, необходимая для компенсации внутреннего поля сегнетоэлектрика.

Это говорит о том, что потери энергии в результате переполяризация очень высоки. Следовательно, уместно использование только для диапазона низких частот.

Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением границ под действием поля. Внутренняя ориентация сильнополярных молекул диэлектрика в доменах обусловлена взаимодействием электрически заряженных частей молекул. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры – сегнетоэлектрическая точка Кюри.

Известно несколько сотен веществ, обладающих такими свойствами. Причём точка Кюри у них от нескольких градусов по шкале Кельвина (Pb₂Nb₂O₇– 15К) до 1500К уLiNbO₃.

Название эта группа веществ получала от первого вещества, у которого были обнаружены подобные свойства – сегнетовой соли.

Сегнетоэлектрические свойства обнаруживаются у дипольных и ионных сильнополярных веществ.

Применение:

1. Изготовление малогабаритных НЧ конденсаторов с большой ёмкостью;

2. Использование большой нелинейности поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других устройств;

3. Изготовление перезаписываемых устройств памяти;

4. Изготовление демодуляторов лазерного излучения.

Пьезоэлектрики

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений.

Рисунок 45

При воздействии силой Fна гранях образуется электрический зарядQ:

Q=d∙F,

где d– пьезомодуль (характеристика вещества).

Пьезоэффект – явление обратимое. Если мы поместим данный материал в электрическое поле, то он изменит свои геометрические размеры – явление обратного пьезоэффекта. Причём направление изменения будет зависеть от полярности приложенного напряжения.

Пьезоэффект бывает либо параллельным (заряд возникает на тех же гранях, на которые приходится воздействие силы F), либо перпендикулярным (заряд возникает на гранях, перпендикулярных воздействию силыF).

Пьезоэлектрические свойства проявляют сильно полярные диэлектрики с отсутствующим центром симметрии в структуре молекулы. Известно более 1000 веществ, обладающих данными свойствами, в том числе все сегнетоэлектрики.

Важнейшими для РЭС является одна из кристаллических модификаций кварца: β-модификация SiO₂. Он устойчив до температуры 573°С. При более высоких температурах, β-модификация переходит в α-модификацию кристаллической решётки. Крупные природные кристаллы пьезокварца носят название горный хрусталь, но они довольно редки. В технике в основном применяется искусственно выращенный гидротермальным методом кварц.

Преимуществами кварцевых резонаторов, представляющих собой пластинки кварца с нанесёнными металлическими обкладками, являются: очень малый tgδ, высокая механическая добротность (малые механические потери). В лучших резонаторах добротность составляет 10⁶…10⁷единиц. Если в таких резонаторах возбудить колебания, то они долго не затухают.

Благодаря высокой механической добротности, кварцевые резонаторы используются в качестве фильтров с большой избирательной способностью и для эталонирования частоты генераторов.

Помимо кварца, который достаточно дорог, используют так называемую пьезокерамическую керамику, представляющую собой сегнетокерамику, поляризованную в сильных электрических полях. Её называют ЦТС-пьезокерамикой. Материал для изготовления цирконат титанат свинца PbZrO₃-PbTiO₃. По свойствам он уступает кварцу.

Из пьезокерамики делают ультразвуковые излучатели, которые широко используются в гидроакустике, дефектоскопии и механической обработке материалов (ультразвуковая сварка). Кроме того, из пьезокерамики изготавливают малогабаритные микрофоны, телефоны, ВЧ динамики, детонаторы для взрывателей, датчики давления и вибрации, ЛЗ на ПАВ, пьезотрансформаторы, акустооптические модуляторы.

Электреты

Это тела диэлектриков, длительно сохраняющие поляризацию и создающие в окружающем пространстве постоянное электрическое поле (аналог постоянного магнита).

Существует большое количество различных электретов, которые подразделяются по способам формирования электретных свойств (впервые обнаружены у парафина).

Термоэлектреты получают комбинацией термического и электрического воздействий

Фотоэлектреты – воздействие света и электрического поля

Электроэлектреты – воздействием только электрического поля

Короноэлектреты – воздействием коронного разряда.

Все электреты постепенно теряют свои свойства, длительность сохранения этих свойств – от нескольких часов до нескольких лет.

В объёме диэлектрика складывается комбинация из двух разновидностей зарядов:

1. гомозаряды. Они стекают с обкладок и замуровываются в поверхностном слое диэлектрика.

2. гетерозаряды представляют собой полярные молекулы самого диэлектрика, ориентированные гомозарядами.

Как показано на рисунке 46

Рисунок 46

У органических электретов преобладают гетерозаряды, у керамических – гомозаряды.

В настоящее время большое применение находят электреты на основе полимерных плёнок (на основе полиэтилентерефталата (лавсан), политетрафторэтилена (фторопласт)).

Помещённые между обкладками плёнки электрета индуцируют на них заряд, величина которого зависит от величины зазора.

Применение: малогабаритные микрофоны, телефоны, измерители механической вибрации.

Жидкие кристаллы

Это вещества, которые могут находиться в промежуточном (мезофазном) состоянии между изотропной жидкостью и твёрдым кристаллическим талом. С одной стороны они текучи, способны собираться в каплю, то есть ведут себя как жидкость, с другой – им присуща анизотропия свойств и внутренняя упорядоченность, как у кристаллов.

Малая величина межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру, определяет сильную зависимость свойств от внешних факторов: температуры, давления, внешнего поля.

Специфика жидких кристаллов заключается в ограниченном температурном интервале существования мезофазы, причём от нескольких градусов, до довольно приличного диапазона температур. При комнатной температуре состояние мезофазы характерно для органических веществ так называемого ароматического ряда с удлинённой палочкообразной формой молекулы (МББА).

Для жидких кристаллов характерно наличие трёх основных состояний:

1. Смектическая фаза – это состояние, наиболее близкое к кристаллической структуре вещества. Характеризуется параллельным расположением палочкообразных молекул с равноудалением центров масс. Срез такой вещества показан на рисунке 47а

Рисунок 47

2. Нематическое состояние. Длинные оси молекул ориентированы вдоль общего направления, которое называется нематическим директором, то есть молекулы по-прежнему параллельны, но нет равноудаления центров масс (см. рисунок 47 б)

Большинство не цветных жидкокристаллических индикаторов используют переход из смектического в нематическое состояние. При этом происходит изменение оптических свойств жидких кристаллов, наблюдается своего рода помутнение, изменяется коэффициент пропускания. Сами жидкие кристаллы не светятся, изменение оптических свойств видно только в отражённом или проходящем свете. Структура индикатора представлена на рисунке 48.

Рисунок 48

При подаче на электрод сигнала и прохождении света, жидкие кристаллы над электродом мутнеют.

3. Холестерическое состояние (доступно не для всех жидких кристаллов).

На рисунке 47 в изображены несколько срезов вещества. В каждом слое молекулы расположены параллельно, но под разными углами в различных сечениях. При этом если посмотреть на одну локальную точку всей толщи жидких кристаллов, то эти молекулы образуют спираль, называемую холестерической. Угол поворота молекул зависит от различных воздействий, оказываемых на этот жидкий кристалл: температура, электрическое и магнитное поля, давление. Холестерическая спираль преломляет падающий свет, и в зависимости от угла закрутки спирали мы видим тот или иной цвет. Процесс управления называется твист-эффектом.