диэлектрики (987842), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Рис. 5. Зависимость 1 твёрдого диэлектрика от частоты поля Е.
Диэлектрическая проницаемость разных веществ. Статическое значение диэлектрической проницаемости 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 некоторых твёрдых диэлектриков
| Диэлектрик | |
| 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 оптической оси) | 4000 |
Такой разброс значений объясняется тем, что в разных веществах основной вклад в на низких частотах дают различные механизмы поляризации. В ионных кристаллах наиболее существенна ионная поляризация. На высоких частотах ( 1014гц) значения () 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 мало отличается от высокочастотной 1 (). При этом величина зависит от жёсткости ковалентной связи, которая тем меньше, чем уже запрещённая зона . Например, для алмаза ( = 5,5 эв) = 5,7. Для кремния (= 1,1 эв) = 12. Большой вклад в 1 даёт ориентационная поляризация. Поэтому в полярных Диэлектрики сравнительно велика, например для воды = 81.
Методы измерения диэлектрической проницаемости различны для разных частот (см. Диэлектрические измерения).
Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля. До сих пор рассматривались Диэлектрики, в которых поляризация возникала под действием внешнего электрического поля. Однако в ряде твёрдых Диэлектрики 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. Диэлектрики 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 , 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 Диэлектрики мала, однако всегда отлична от нуля (таблица 2). Носителями тока в Диэлектрики могут быть электроны и ионы. Электронная проводимость Диэлектрики обусловлена теми же причинами, что и электропроводность полупроводников. В обычных условиях, однако, электронная проводимость Диэлектрики 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 Диэлектрики может вносить поверхностная проводимость.
Пробой. Электрический ток в Диэлектрики пропорционален напряжённости электрического поля Е (Ома закон). Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом поле Епрнаступает электрический пробой Диэлектрики Величина Епр называется электрической прочностью Диэлектрики (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 Диэлектрики
Табл. 2. — Удельное сопротивление и электрическая прочность Епр некоторых твёрдых диэлектриков, используемых в качестве изоляционных материалов
| Диэлектрический материал | , ом·см | Епр, 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: 
Рис. 6. Зависимость плотности тока j от напряжения электрического поля Е в диэлектрике; пунктир соответствует неустойчивым состояниям.
где удельное сопротивление 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 = Епр.
В твёрдых Диэлектрики различают тепловой и электрический пробой. При тепловом пробое с ростом j растёт джоулево тепло и, следовательно, температура Диэлектрики, что приводит к увеличению числа носителей тока n. В результате падает. При электрическом пробое с ростом j также возрастает число носителей n, а c увеличением n падает.
В реальных Диэлектрики большую роль при пробое играют всегда присутствующие неоднородности. Они способствуют пробою, т.к. в местах неоднородности Е может локально возрасти. Необратимые изменения в Диэлектрики, связанные с образованием токового канала при пробое, могут быть разного характера. Например, в Диэлектрики образуется сквозное отверстие или Диэлектрики проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции, например в органических Диэлектрики осаждается углерод, в ионных Диэлектрики выпадает металл (металлизация канала).
Электрическая прочность жидких Диэлектрики в сильной степени зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно понижает Епр. Для чистых, однородных жидких Диэлектрики Епр близка к Епр твёрдых Диэлектрики
Пробой в газах связан с механизмом ударной ионизации и проявляется в виде электрического разряда в газах.
Нелинейные свойства Диэлектрики Поляризация Диэлектрики, как указывалось выше, пропорциональна напряжённости электрического поля. Однако такая линейная зависимость справедлива только для электрических полей, значительно меньших внутрикристаллических полей Екр ~ 108в/см (см. Кристаллическое поле). Т. к. обычно Епр« Екр, то в большинстве Диэлектрики 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 Диэлектрики повышается, поэтому нелинейные свойства любых Диэлектрики 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 Диэлектрики, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и др. нелинейные эффекты (см. Нелинейная оптика).
Диэлектрики в науке и технике используются прежде всего как электроизоляционные материалы. Для этого необходимы Диэлектрики с большим удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью и малым углом диэлектрических потерь. Диэлектрики с высоким значением используются как конденсаторные материалы. Ёмкость конденсатора, заполненного Диэлектрики, возрастает в 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.).
Диэлектрики используются и в оптике. Чистые Диэлектрики прозрачны в оптическом диапазоне. Вводя в Диэлектрики 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 Диэлектрики в вычислительной технике и т. п.
11
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
