Кугушев А.М., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники. Линейные электромагнитные процессы (1969), страница 4

Среда, для которой а< !О ы сим/м, называется непроводящей (изолятором). Под идеально проводящей средой подразумевается гипотетическая среда, у' которой а= аа. Вещество, у которого т»+О называется диэлектриком; по величине проводимости диэлектрик относится к изоляторам; у «идеального» диэлектрика (изолятора), как н в вакууме, а=О. Вещество, у которого ~мФО, называется магнетиком; по величине проводимости магнетики в большинстве случаев относятся к проводникам, реже — к полупроводникам н изоляторам.

Вещество с малой проводимостью (а( 10 з сим/м), у которого 11„>0 н у»>0, называется магнитодиэлектрикам. Проводники разделяют на проводники первого рода и второго рода; у проводников первого рода проводимость с повышением температуры уменьшается, а у проводников второго рода — возрастает. Проводники первого рода. К ним относятся металлы, в которых между положительными ионами кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля движутся электроны проводимости, представляющие плазму твердого тела в металле, Перемещение за- — 22— рядов в этом случае не связано с химическим изменением проводника. Плотность тока проводимости может быть выражена формулой 3 = ел ч =- р ч !а/см'1 (1-2-5 ! Здесь е — заряд электрона (к]; и†число электронов в единице объема !см-'1, (для одновалеитного металла и = !Ом †: 10«л); р — объемная платность заряда (к/см'), движущегося со средней скоростью ч (см/сек).

В технике наибольшее значение плотности тока обычно не превышает 1000 а/смз, ввиду чего а<1 см/сек, т. е. много меньше скорости теплового движения электронов в металлах. Значения проводимости для различных металлов приведены в табл. П-4 приложения. Зависимость проводимости металлов от температуры определяется формулой а= (1-2-б) 1-,'- а Т где Т вЂ” температура в ' С; а,— проводимость при 0' С; а — температурный коэффициент (при 0' ~ Т ~ (100" С он равен (3,3 —: 6,2) ° 10 — 'град — '). Проводники второго рода.

К их числу относят электролиты, т. е. растворы кислот, солей и щелочей, в которых происходит диссоциация нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы. Под действием электрического поля возникает перемещение ионов, т. е. возникает ток проводимости, приводящий к химическому изменению электролита.

Плотность тока в электролите определяется выражением Я= — р+ч +р ч (1-2-7) в котором р+, р и ч+, ч — объемные плотности и средние скорости положитечьных и отрицательных ионов. Оба слагаемых р+ч+ и р ч направлены в одну сторону. С ростом температуры число диссоциированных молекул возрастает, вследствие чего проводимость электролита увеличивается. Удельные проводимости различных электролитов указаны в табл. П-5 приложения. Проводником второго рода является также плазма — ионизированный газ, в котором часть молекул илн Но[1 ( )~ (1-2-8) и графически представлена на рис.

1-1. Здесь Но=Н р при Т=О'К. все они диссоциированы на электроны и положительные ионы; в целом такая плазма всегда нейтральна, чем она и отличается от плазмы твердого тела, которая в большинстве случаев является заряженной (например, электронная плазма в металлах). Поведение плазмы в элек- тромагнитном поле и ее а н гр нь ьв пРоводимость Рассматвро гр к~~~ риваются во 2-й и б-й рьв Го-Рр Гррр х~ главах. яхг- Полупроводник — вен р г о вг щество, проводимость ко- торого осуществляется за ОРР Та РЬ счет движения ионов ре- но шетки или электронов. ° .5г В первом случае ток соггг 1„ провождается переносом вещества, что приводит г к разрушению полупрой г о г к водника; практического значения такие полупроРис. 1-1.

Кригическне значения на- ВОДНИКИ ПОЧтн Не Имешт. иряжениосги огагянгного ноля нко Большое практическое н занисиыости ог генперагуры нля значение имеют электрон- некоторых сзерхнронояникон. ные полупроводники, носителями зарядов которых являются электроны н «дырки», образующие плазму твердого тела. Удельные проводимости различных полупроводников приведены в табл.

П-6 приложения. Сверхпроводник. У некоторых металлов, их сплавов и соединений прн температурах, близких к абсолютному нулго, а — оо (практически о-10" сим(м) и д, = — !. Это состояние вещества называется сверхпроводимостью, а температура, при которой она наступает, называется температурой перехода Т; она определяется атомной структурой вещества и зависит от магнитного поля: при превышении критического значения напряженности этого поля Нир сверхпроводимость исчезает. Зависимость Нкр от температуры выражается формулой В табл. П-7 приложения приведены сверхпроводящие элементы и указаны их температуры перехода.

Следует отметить, что состояние сверхпроводимости наблюдает- ся не только в постоянном поле, но и в переменных по- лях с частотой до 1Ого гг( (А=3 мм) . Диэлектрики (приложение, табл. П-8) отличаются от проводников тем, что в них практически нет свободных зарядов, которые под действием поля могут перемещать- ся по всему объему. В основном диэлектрик состоит ли- бо из электрически нейтральных молекул, либо из ионов, связанных иеэлектрическими силами так, что перемеще- ние зарядов невозможно. Только под действием электри- ческого поля большой напряженности может произойти нарушение этих связей; в результате этого в диэлектри- ке возникает нестабильный ток проводимости и молеку- лярная структура диэлектрика изменяется.

Это явленйе называется электрическим пробоем, 'а величи- на поля, при которой происходит пробой, — электричес- кой прочностью изолятора (табл. П-9 приложения). Основным свойством диэлектрика является инду- цированная поляризация, т. е. смещение вием связанных зарядов под действием внешнего электричес- кого поля. В результате этого образуются пары — элек- рнческие диполн. В общем случае электрический ди- поль — это два одинаковых по величине, но разноимен- ных по знаку заряда, расположенных на некотором расстоянии 1. Количественно электрический диполь хара- ктеризуется электрическим моментом р.

= г)1 (1-2-9) который направлен от отрицательного заряда к положи- тельному. Индуцированная поляризация характеризуется век- тором поляризации Р, который выражает отличие элект- рической индукции в среде от индукции в вакууме, Р = 0 — ноЕ [к1мо); (1-2-10) с учетом выражения (1-2-2), Хэ но ~.

(1-2-1 1) С другой стороны, вектор поляризации определяется как электрический момент единицы объема, т. е. л л Р = 1!ш Р' = ~ р„= ))~ дг1г. (1-2-12) ар-.о Л Ь' Здесь Лрэ — электрический момент элементарного объе- ма Ь)т; и — число элементарных диполей в единице объема; р„— момент 1-го элементарного диполя. Индуцироваиная поляризация состоит из электронной, ионной и ориентационной составляющих. Э л е ктрон н а я п ол я р из а ци я — смещение электронов от- носительно ядра в преха уьа нел ьвл делах атома — имеет место во всех диэлекХ матча триках. Ионная поля- 2) р и з а ц и я — взаимное Хает смещение отрицательхы ных и положительных м ионов кристаллической решетки вещества; она возрастает с увеличением температуры и имеет место при всех частотах, вплоть до Рис. 02.

Зависимость электрической восприимчивости Х, от частоты щих дизоазону инфракрасных тучей. Ориент ационна я поляризация имеет место в диэлектрике, молекулы которого обладают собственным электрическим моментом с хаотической ориентацией их в отсутствие внешнего электрического поля. Такие молекулы называют полярными; под действием внешнего поля Е они ориентируются в соответствующем направлении. Процессы смещения электронов, ионов и ориентация молекул происходят в электрическом поле не мгновенно. Время, в течение которого равновесного состояния достигает 1/е=0,37 всех частиц, называется временем релаксации; оно тем меньше, чем меньше масса частиц.

Наименьшее время релаксации у электронов. Если период изменения поля сравним со временем релаксации ориентационного, ионного или электронного механизма поляризации либо меньше его, то смещение молекул, ионов или электронов не будет «успевать» за изменением поля. С увеличением частоты поля постепенно уменьшается вклад в поляризацию среды ориентационного меха- — 26— иизма поляризации, а затем и ионного. Это приводит к зависимости электрической восприимчивостп та и связанной с ней диэлектрической проницаемости е от частоты поля. Общий вид зависимости та от частоты приведен на рис. 1-2. В частности, относительная диэлектрическая проницаемость воды равна 80 при частотах, меньших 3 ° 10" гн, и 1,77 в оптическом диапазоне. ПолЯРизУемость, а следовательно, и значениЯ ул и в с увеличением температуры уменыпаются, так как ориентирующее действие электрического поля уменьшается тепловыми колебаниями.

Численные значения т, большинства диэлектриков не превышают нескольких десятков единиц. В табл. П-1О приложения приведены значения в= (1+т,) некоторых диэлектриков. В анизотропных диэлектрических средах вектор Р не совпадает с вектором Е и аналогично (1-2-11) на основании (Д-2-22) выражается в виде Р,.=в т! Е,=в (вм — бдл)Е. Сегнетоэлектрики (ферроэлектрики) — диэлектрики, у которых аналогично ферромагиетнкам существует полярнзация областей (доменов) в отсутствии внешнего поля; это так называемая спонтанная поляризац и я, обусловленная внутренним строением молекул. Во внешнем поле происходит ориентация доменов, и величина и составляет несколько тысяч единиц.