Навигация по сайту

     Епифанов Г.И. Физика твердого тела, М.: Высшая школа, 1987.

     Диэлектрики — вещества, плохо проводящие электрический ток. Согласно зонной теории резкое различие электрических свойств проводников и диэлектриков обусловлено различным характером распределения электронов по уровням энергии: в диэлектриках при 0 К верхний заполненный электронами уровень совпадает с потолком одной из разрешенных зон (ВЗ), а ближайшие свободные уровни ЗП отделены от ВЗ запрещенной зоной шириной более 3 эВ, которую электроны не могут преодолеть под действием слабых и средних электрических полей. Если же диэлектрик легирован примесями или содержит дефекты, то в запрещенной зоне появятся примесные уровни и он будет вести себя подобно полупроводнику.

     По своим свойствам различают пассивные и активные диэлектрики. К первым относятся электроизоляционные и конденсаторные материалы (слюда, керамика, стекло, ситаллы и др.), обладающие невысокой диэлектрической проницаемостью ε и большим удельным сопротивлением ρ. К активным диэлектрикам относят сегнето-, пьезо- и пироэлектрики и др., свойства которых изменяются под влиянием внешнего энергетического воздействия.

     Высокое значение ρ у диэлектриков связано с чрезвычайно малым количеством в них свободных электронов (n≈ 10⁸-10¹⁵ см^-3 при 20° С). Поэтому электрическое поле, приложенное к диэлектрику, практически не приводит к переносу этих электронов, а лишь вызывает смещение связанных электронов, приводящее к поляризации диэлектрика — к появлению электрического дипольного момента у любого элемента его объема.

     Диэлектрические свойства материала определяют по его поведению в поле плоского конденсатора. Если поместить диэлектрик между обкладками этого конденсатора (рис. 102), то под действием его электрического поля будет происходить перераспределение электронной плотности за счет смещения электрических зарядов и диэлектрик будет поляризоваться. В результате поляризации на поверхности диэлектрика появляются заряды, имеющие знак, противоположный знаку свободных зарядов.

     Количественно поляризацию диэлектрика характеризуют дипольным моментом единицы объема, называемым вектором поляризации P. Величина P зависит от напряженности E электрического поля. Помимо векторов P и Е состояние диэлектрика характеризуется вектором электрической индукции (смещения) D . Между векторами D , P , E существует следующая связь (теорема Гаусса):

     где ε₀ - электрическая (диэлектрическая) постоянная вакуума; ε - диэлектрическая проницаемость, характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрического поля, равная

     где χ_e - диэлектрическая восприимчивость, характеризующая способность тела к поляризации.

     Согласно закона Кулона, ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Ослабление взаимодействия происходит из-за экранизации свободных зарядов связанными, образующимися в результате поляризации среды.

     

     В зависимости от характера химической связи различают следующие 3 основные механизмы поляризации диэлектриков: электронную, ионную и дипольную (ориентационную).

     Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам и превалирует в кристаллах с ковалентной связью. Под действием внешнего электрического поля P происходит смещение электронов атома относительно его ядра (деформация его электронной оболочки) и возникают индуцированные диполи (рис. 104). Диэлектрические свойства индуцированных диполей относятся к числу резонансных явлений.

     Электронный механизм поляризации является наименее инерционным, т.к. масса электрона значительно меньше массы частиц, участвующих в процессе поляризации. Время установления электронной поляризации составляет ≈ 10^-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний.

     Ионная поляризация наблюдается в ионных кристаллах и происходит в результате возникновения диполей вследствие относительного смещения (сдвига) положительных и отрицательных ионов под влиянием электрического поля. При этом имеет место также деформация электронных оболочек ионов, что порождает электронную поляризацию. Время установления ионной поляризации примерно на порядок больше ( ≈ 10^-14 с).

     Дипольная (ориентационная) поляризация наблюдается в полярных диэлектриках (например, в твердом H₂S ). Существующие в отсутствии электрического поля электрические диполи ориентированы хаотично . При включении поля диполи приобретают преимущественную ориентацию. Этот процесс и называют дипольный или ориентационной поляризацией. Переориентация постоянных диполей под действием поля происходит не мгновенно, а постепенно путем поворота их на определенные углы приближающие направление диполей к направлению электрического поля. Дипольная поляризация с ростом температуры уменьшается из-за возрастания энергии теплового движения частиц, снижающей ориентирующее влияние поля. Данный вид поляризации называется также дипольно-релаксационным, т.к. ориентация электрических диполей (при включении поля) или ее ослабление (при снятии поля) происходит постепенно, замедленно, т.е носит релаксационный характер. Такая поляризация связана с потерями энергии и нагревом диэлектрика, поскольку поворот диполей в направлении поля требует некоторого сопротивления со стороны его решетки. В полярных диэлектриках возможна так называемая электронно-релаксационная поляризация, возникающая за счет возбужденных тепловой энергией избыточных "дефектных" электронов или дырок.