ДИЭЛЕКТРИКИ

(англ. dielectric, от греч. dia — через, сквозь и англ. electric — электрический), вещества, плохо проводящие электрич. ток. Термин «Д.» введён Фарадеем для обозначения в-в, в к-рые проникает электрич. поле. Д. явл. все газы (неионизованные), нек-рые жидкости и тв. тела. Электропроводность Д. по сравнению с металлами очень мала. Их уд. электрич. сопротивление r — 108— 1017 Ом•см. Количеств. различие в электропроводности Д. и металлов классич. физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные эл-ны, а в Д. все эл-ны связаны с атомами. Электрич. поле не отрывает их от атомов, а лишь слегка смещает. Квант. теория твёрдого тела объясняет разные электрич. св-ва металлов и Д. разл. характером распределения эл-нов по уровням энергии. В Д. верхний заполненный эл-нами энергетич. 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, к-рую эл-ны под действием обычных (не слишком сильных) электрич. полей преодолеть не могут (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ). Действие электрич. поля сводится к перераспределению электронной плотности, к-рое приводит к поляризации Д. Резкой границы между Д. и полупроводниками провести нельзя. В-ва с шириной запрещённой зоны ?g<3 эВ условно относят к ПП, а с ?g>3эВ — к Д.

Поляризация. Механизмы поляризации Д. различны и зависят от характера хим. связи. Напр., в ионных кристаллах (NaCl и др.) поляризация явл. результатом сдвига ионов друг относительно друга (ионная поляризация; рис., а) и деформации электронных оболочек отд. ионов (электронная поляризация).

Рис. Поляризация диэлектриков: а — ионная; б — электронная; в — ориентационная.

В кристаллах с ковалентной связью (напр., алмаз) поляризация обусловлена гл. обр. смещением эл-нов, осуществляющих хим. связь (рис., б). В т. н. полярных Д. (напр., твёрдый H2S) молекулы или радикалы представляют собой электрич. диполи, к-рые в отсутствии электрич. поля ориентированы хаотически, а в поле приобретают преимуществ. ориентацию (рис., в). Такая ориентационная поляризация типична для мн. жидкостей и газов. Сходный механизм поляризации связан с «перескоком» под действием электрич. поля отд. ионов из одних положений равновесия в другие. Особенно часто такой механизм наблюдается в в-вах с водородной связью, напр. у льда, где ионы водорода имеют неск. положений равновесия.

Поляризацию Д. характеризуют электрич. дипольным моментом единицы объёма

где pi — дипольные моменты ч-ц (атомов, ионов, молекул), N — число ч-ц в единице объёма (см. ПОЛЯРИЗУЕМОСТЬ). Величина R зависит от напряжённости электрич. поля E. В слабых полях R=cE. Коэфф. пропорциональности c наз. диэлектрической восприимчивостью. Часто вместо вектора R пользуются вектором электрич. индукции:

D=E+4pR=eE (в системе СГСЭ), (1)

где 6 — диэлектрическая проницаемость. В вакууме c=0 и e=1 (в системе СГСЭ). Величины c и e — осн. характеристики Д. В анизотропных крист. Д. направление R определяется не только направлением поля Е, но и направлением осей симметрии кристалла. Поэтому вектор R составляет разл. углы с E в зависимости от ориентации Е по отношению к осям симметрии в кристалле. В этом случае e и c явл. тензорами.

Диэлектрики в переменном поле. Если поле E быстро изменяется во времени t, то поляризация Д. не успевает следовать за ним. Между колебаниями R и E появляется разность фаз 8. Диэлектрич. проницаемость в этом случае представляют комплексной величиной: e=e'-ie", причем e' и e" зависят от частоты перем. электрич. поля w. Абс. величина |e|=?(e'2+e"2) определяет амплитуду колебания вектора индукции D, а отношение e'/e" определяет диэлектрические потери. В пост. электрич. поле e"=0, а e'=e.

В перем. электрич. полях высоких частот (оптич. диапазон) св-ва Д. принято характеризовать показателями преломления n и поглощения k (вместо e' и e"). Первый равен отношению скоростей распространения эл.-магн. волн в Д. и в вакууме. Показатель поглощения k характеризует затухание эл.-магн. волн в Д. Комплексный показатель преломления равен n^=n(1+ik); величины n, k, e' и e" оказываются связанными соотношением:

n(1+ ik)=?(e'-ie") . (2)

Поляризация диэлектриков в отсутствии электрич. поля Е. В крист. Д., где ионы разного знака расположены в определённом порядке, поляризация может существовать и в отсутствии электрич. поля. Обычно она не проявляется, т. к. создаваемое электрич. поле компенсируется полем свободных зарядов, натекающих на поверхность кристалла извне и изнутри. Нарушение компенсации, приводящее к врем. появлению электрич. поля в кристалле, происходит в пироэлектриках — при изменении темп-ры кристалла и в пьезоэлектриках — при деформации. Разновидностью пироэлектриков явл. сегнетоэлектрики, в к-рых поляризация может существенно изменяться (как по величине, так и по направлению) под влиянием внешних воздействий. Поляризация в отсутствии поля может наблюдаться также в нек-рых в-вах типа смол и стёкол (см. ЭЛЕКТРЕТЫ).

Электропроводность Д. мала, но отлична от нуля (табл.). Подвижными носителями заряда в Д. могут быть эл-ны и ионы. Электронная проводимость в обычных условиях мала по сравнению с ионной. Ионная проводимость обусловлена перемещением собств. и примесных ионов. Возможность перемещения ионов по кристаллу связана с наличием структурных дефектов в кристаллич. решётке. Если, напр., в кристалле есть вакансии, то под действием поля соседний ион может занять её, во вновь образовавшуюся вакансию может перейти след. ион и т. д. Перемещение ионов может происходить также по междоузлиям. С ростом темп-ры ионная проводимость возрастает. Заметный вклад в электропроводность Д. может вносить поверхностная проводимость (см. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ).

Пробой. Электрич. ток j через Д. пропорционален напряжённости электрич. поля Е (закон Ома): j=sE, где а — проводимость Д. Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При нек-ром критич. значении Eпр наступает электрич. пробой Д. Величина Eпр наз. электрической прочностью Д. (табл.). При пробое почти весь ток течёт по узкому каналу (см. ШНУРОВАНИЕ ТОКА).

УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ r И ЭЛЕКТРИЧ. ПРОЧНОСТЬ Епр НЕК-РЫХ ТВЁРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

В твёрдых Д. различают тепловой и электрич. пробой. При тепловом пробое с ростом j растёт темп-pa Д. (Джоулева теплота), что приводит к увеличению числа подвижных носителей заряда n и уменьшению r. При электрич. пробое с ростом поля Е возрастает генерация носителей под действием поля. В Д. пробою способствуют неизбежные неоднородности, т. к. в местах неоднородности поле Е может возрасти.

Плотность тока в шнуре может достигать больших величин. Это может привести к разрушению Д.: образуется сквозное отверстие или Д. проплавляется по каналу; в канале могут протекать хим. реакции; напр., в органич. Д. осаждается углерод, в ионных кристаллах — металл (металлизация канала) и т. п.

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

Нелинейные свойства. Линейная зависимость P=cЕ справедлива только для полей Е, значительно меньших внутрикристаллических полей (Екр=108 В/см). Т. к. Eпр<-Eкр. то в большинстве Д. не удаётся наблюдать нелинейную зависимость P(Е) в пост. электрич. поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, где в сегнетоэлектрич. области и вблизи фазовых переходов наблюдается сильная нелинейная зависимость P(Е). Однако нелинейные св-ва любых Д. проявляются в ВЧ полях больших амплитуд (Eпр растёт). В частности, в луче лазера, где могут быть созданы электрич. поля =108 В/см, нелинейные св-ва Д. становятся существенными. Это позволяет наблюдать преобразование частоты света, самофокусировку и др. нелинейные эффекты в диэлектрич. кристаллах (см. НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА) .

Применения. Многие Д. используются гл. обр. как электроизоляц. материалы. В частности, Д. с высоким Eпр используются как конденсаторные материалы. Пьезоэлектрики применяются для преобразований звук. колебаний в электрические и наоборот (см. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ); пироэлектрики — для индикации и измерения интенсивности ИК излучения; сегнетоэлектрики — как нелинейные элементы в радиоэлектронике. Вводя в Д. примеси, можно окрасить его, сделав непрозрачным для определённой области спектра (оптич. фильтры). Многие диэлектрич. кристаллы используются в квантовой электронике (в лазерах и квантовых усилителях СВЧ) и др.