Діелектрики

Діеле́ктрики (англ. dielectric, від дав.-гр. δια- — «через» + «електрика») — речовини, що не проводять електричний струм і питомий опір яких становить 10⁸…10¹⁷Ом·см. У таких речовинах заряди не можуть пересуватися з однієї частини в іншу (зв'язані заряди). Зв'язаними зарядами є заряди, що входять до складу атомів або молекул діелектрика, заряди іонів, в кристалах з іонною ґраткою.

Напруженість електричного поля в діелектрику є меншою ніж напруженість такого ж поля у вакуумі. Співвідношення

$E_{0}\,=\,{\frac {E}{\varepsilon }}$

— визначає діелектричну проникність $\varepsilon$. Тут Е — напруженість поля, яка створювалася б за однакових умов у вакуумі, Е₀ — напруженість у діелектрику. Очевидно, що у вакуумі $\varepsilon \,=\,1$.

Історія

У 1836 році Фарадей відкрив, що електричне поле не проникає всередину кімнати, захищеної шаром металу (конструкція, що отримала назву «клітка Фарадея») — що контрастувало з проходженням силових ліній електричного поля крізь «звичайні» речовини, такі як повітря або скло. Для опису цього феномену Фарадею знадобився термін для не-провідників. Він звернувся до Вільяма Вевелла з проханням придумати відповідну назву, і у грудні 1836 Вевелл запропонував термін «діелектрик».

Відмінності діелектриків і провідників

Лінії електричного поля навколо сфери з діелектрику

Лінії електричного поля навколо сфери з провідника (завжди перпендикулярні поверхні)

У провідниках носії заряду (в першу чергу, електрони) можуть вільно переміщуватися по всьому об'єму матеріалу під дією зовнішнього поля. За рахунок цього, з одного боку, провідники мають малий опір, а з іншого — розподіл зарядів на поверхні провідника повністю компенсує зовнішнє електричне поле, таким чином, що всередині провідника поле відсутнє. У діелектрику заряди прив'язані до своїх атомів і не можуть вільно переміщатися. Під дією зовнішнього поля позитивні і негативні заряди можуть лише трохи зміщуватися один відносно одного, перетворюючи атоми на диполі, зорієнтовані переважно в одному напрямку. Це явище називається поляризація. За рахунок поляризації, заряди у діелектрику також перерозподіляються, і частково компенсують зовнішнє поле, проте не можуть знищити його повністю.

Чітко розділити діелектрики і провідники можна було б лише за наднизьких температур — діелектрики у такому випадку мають нульову провідність, а провідність металів — навпаки, зростає. На практиці ж, ідеальних діелектриків не існує, і у будь-якій речовині існують вільні носії заряду. Рішення, до якого класу віднести речовину, приймається в залежності від того, що саме більше впливає на електричні властивості речовини — рух вільних носіїв заряду чи поляризація.

З точки зору зонної теорії, у ідеальному діелектрику всі електрони знаходяться у валентній зоні, яка відділена від зони провідності забороненою зоною, тоді як у провіднику верхня дозволена зона заповнена частково, і електрони легко можуть переходити з одного рівня на інший, або ж валентна зона і зона провідності прекриваються.

Зазвичай, виділяють також проміжний клас, напівпровідники, що, по суті, є діелектриками з вузькою забороненою зоною. Діелектриками вважають речовини з забороненою зоною ширшою за 2-3 еВ (енергія фотонів видимого світла), тоді як у напівпровіднику її ширина становить лише 0,2-2 еВ.

Деякі речовини можуть переходити з провідного стану у діелектричний і навпаки. Часто такі переходи відбуваються під дією температури.

Поляризація

У зовнішньому полі позитивні і негативні заряди у діелектрику зміщуються відносно один одного, завдяки чому в усьому об'ємі діелектрика виникає дипольний момент, а на протилежних його кінцях — різнойменні електричні заряди. Ці заряди створюють у тілі електричне поле, напрямлене протилежно до породжуючого поля. Завдяки цьому, електричне поле всередині діелектрика є меншим, ніж зовні. Величина, що показує, у скільки разів ослаблюється поле називається діелектричною проникністю і позначається літерою ε.

Кількісною мірою поляризації є вектор поляризації, що дорівнює відношенню дипольного моменту в малому об'ємі діелектрика до цього об'єму:

${\vec {P}}=\lim _{dV\to 0}{\frac {\vec {dM}}{dV}}$

У порівняно слабких полях, поляризація є пропорційною до зовнішнього поля:

${\vec {P}}=\varkappa {\vec {E}}$

Коефіцієнт пропорційності $\varkappa$ називається діелектричною сприйнятливістю. У системі ISQ у правій частині цього рівняння з'являється множник $\varepsilon _{0}=8.8541878176\cdot 10^{-12}$ Ф/м, який називають електричною сталою.

Діелектрична сприйнятливість і діелектрична проникність пов'язані як:

$\varepsilon =1+4\pi \varkappa$ ($\varepsilon =1+\varkappa$ у системі ISQ)

У випадку сильних, порівняно з внутрішньоатомними, електричних полів, ця залежність стає нелінійною.

Існує кілька механізмів поляризації діелектриків.

Електронна поляризація

Принципова схема електронної поляризації

Найбільш універсальний механізм, що працює в усіх речовинах. Кожен атом складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, що обертаються навколо. Зовнішнє поле діє на ядро і електрони, розтягуючи їх в протилежних напрямках. Якщо вважати електрон гармонічним осцилятором з частотою $\omega$, пружно пов'язаним з ядром, під дією зовнішньої сили його положення рівноваги буде зміщуватися (так само, як зміщується положення рівноваги звичайного пружинного маятника під дією сили тяжіння), на відстань

$\mathbf {r} ={\frac {e\mathbf {E} }{m_{e}\omega ^{2}}}$

Кожен електрон створює у атомі дипольний момент, що дорівнює $\mathbf {r} e$. Електронна поляризація є найбільш швидким механізмом, і основним для полів, що змінюються з великою частотою (наприклад, для видимого світла), оскільки встановлюється за час порядку 10⁻¹⁵ с.

Іонна поляризація

У іонних кристалах зовнішнє поле може зміщувати іони з положення рівноваги. Цей механізм є подібним до електронної поляризації, проте масивні іони зміщуються повільніше, за час порядку 10⁻¹²—10⁻¹³ с.

У деяких випадках іони можуть зміщуватися на значні відстані, що перевищують відстань між ними. Така поляризація називається іонно-релаксаційною'. Вона встановлюється протягом тривалого часу, тому є більш важливою для постійних полів.

Дипольна поляризація

Часткове впорядкування молекул у зовнішньому полі

Усі молекули можна поділити на два великих класи: центрально симетричні молекули, такі як кисень, діоксид вуглецю або бензол називають неполярними, оскільки завдяки симетрії вони не мають дипольного моменту. У несиметричних молекулах, таких як вода або неорганічні кислоти, центри розподілів позитивних і негативних зарядів не збігаються, завдяки чому кожна молекула має дипольний момент. Такі речовини називаються полярними. У дипольних рідинах і газах без зовнішнього поля моменти усіх молекул напрямлені хаотично, і середній дипольний момент речовини дорівнює нулю. При прикладанні зовнішнього електричного поля, молекули орієнтуються вздовж нього, завдяки чому у речовині з'являється дипольний момент. Тепловий рух не дозволяє молекулам зберегти орієнтацію надовго, тому ця впорядкованість має статистичний характер — ймовірність знаходження молекули в положені вздовж ліній поля більша, ніж у інших положеннях. Ймовірність відрізняється не дуже сильно навіть у сильних полях: у електричному полі напруженістю 100 000 В/см різниця становить лише кілька відсотків. Цей тип поляризації (а отже, і вклад, який він дає у діелектричну проникність) сильно залежить від температури.

Провідність

Загалом, діелектрики дуже погано проводять струм: їх опір перевищує 10⁸Ом·см і доходить до 10¹⁷ Ом·см. У ідеальних діелектриках носіїв заряду не існує, проте у реальних вони виникають за рахунок впливу температури, хімічних реакцій, електромагнітного випромінювання та інших механізмів. Носіями заряду у діелектриках можуть бути електрони, дірки, полярони, іони, моліони (заряджені групи молекул і більші частинки). Провідність діелектриків зазвичай прямує до нуля, якщо температура знижується до абсолютного нуля, на відміну від провідників, у яких в цьому випадку до наближається до нуля опір.

Провідність газів

У газах завжди підтримується деяка концентрація заряджених частинок: під дією радіації або через високоенергетичне зіткнення атом втрачає електрон, який, зазвичай, швидко приєднується до нейтральної молекули, в результаті чого утворюються позитивний і негативний іони. Під час зіткнення такі іони рекомбінують, перетворюючись на нейтральні атоми і молекули. Таким чином, підтримується динамічна рівновага заряджених частинок. У зовнішньому електричному полі ці частинки починають рухатись у протилежних напрямках. Кількість таких заряджених частинок є дуже невисокою, тому провідність газів є незначною — порядку 10^-15 Ом^-1·см^-1 у слабких полях.

Після підвищені напруження до деякого критичного значення, закон Ома у газах перестає виконуватися і струм перестає зростати. Такий струм називається струмом насичення. Для повітря його значення не перевищує 10^-18 А/см² і досягається вже за напруги у тисячні долі вольта (при відстані між електродами в 1 см). Такий ефект виникає через те, що кількість іонів у повітрі обмежена, і не залежить від напруги, і за достатньо високої напруги, усі вони швидко потрапляють на електроди і припиняють подальший рух.

Тип перенесення заряду, під час якого вони більшість часу прискорено рухаються під дією поля, і зрідка взаємодіють з іншими частинками називають дрейфовим.

Іонна провідність

Іони, що формують кристалічну ґратку, не можуть вільно переміщуватися у кристалі, проте у реальних кристалах завжди містяться домішки і дефекти. Іони, що знаходяться у міжвузлях (дефекти Френкеля) , або навпаки, відсутні іони (дефекти Шотткі) відіграють роль заряджених частинок або дірок. Такий тип провідності є подібним до електролізу, і так само супроводжується перенесенням маси, тому з часом опір діелектриків, де працює такий механізм, зростає, оскільки атоми домішок осідають на електродах.

Рух іона полягає у послідовному "перескакуванні" з одного положення в інше. Ймовірність подолання потенціального бар'єру між положеннями сильно залежить від температури. Питома провідність діелектрика у цьому випадку дорівнює

$\sigma _{0}={\frac {n_{0}q^{2}\delta ^{2}\nu E}{6kT}}e^{-{\frac {U}{kT}}}$,

де $n_{0}$ — концентрація домішок, $q$ — заряд іона, $\delta$ — відстань між сусідніми положеннями іона, $\nu$ — частота теплових коливань іонів ґратки, $U$ — значення потенціального бар'єру між сусідніми положеннями.

У випадку тривалого протікання струму формула може ускладнюватися, оскільки, після осідання домішок на електродах, провідність залежить від швидкості утворення нових дефектів, яка теж залежить від температури.

Поверхнева провідність

Особливий тип іонної провідності. Поверхня діелектрика неминуче забруднюється, зволожується і окиснюється, тому кількість домішок і дефектів ґратки на ній значно вища, ніж всередині. Поверхнева провідність може перевищувати об'ємну. Особливо це стосується пористих діелектриків, які добре зволожуються, оскільки вода сприяє дисоціації молекул діелектрика і значно пришвидшує рух іонів.

Діелектричні втрати

У змінному електричному полі, частина енергії електричного поля переходить у теплоту. Цей процес можна виразити математично, якщо прийняти, що діелектрична проникність є не дійсною, а комплексною величиною:

$\varepsilon =\varepsilon '+i\varepsilon ''$

Величини $\varepsilon '$ і $\varepsilon ''$ у такому разі залежать від частоти, з якою змінюється поле.

Теплова енергія, що виділяється при цьому за одиницю часу в одиниці об'єму дорівнює:

$W={\frac {\varepsilon '{\bar {E}}^{2}\omega }{4\pi }}tg\delta$

де $\omega$ — частота зміни поля, ${\bar {E}}$ — середнє значення напруженності поля, а $tg\delta$ — тангенс кута діелектричних втрат, характеристика діелектрика, що задається як:

$tg\delta ={\frac {\varepsilon '}{\varepsilon ''}}$.

Пробій

При достатньо великій напрузі у діелектрику різко зростає сила струму. Це явище називається пробій. Критична величина напруги, при якій стається пробій називається електричною міцністю.

Існує кілька механізмів виникнення пробою:

1. Через діелектричні втрати під час проходження струму діелектрик розігрівається, що зменшує його опір, і збільшує струм, аже допоки частина діелектрика не розплавляється.
2. Через утворення електронних лавин, коли у сильному полі електрон встигає між зіткненнями розігнатися до такої швидкості, що його енергії вистачає на іонізацію атома.

Класифікація

За агрегатним станом

• газоподібні (більшість газів);
• рідкі: неполярні (олія) і полярні (хімічно чиста вода);
• тверді: аморфні (пластмаси, скло) і кристалічні (іонні кристали).

Деякі особливі види діелектриків

• Сегнетоелектрики — здатні до спонтанної поляризації
• Електрети — здатні зберігати наведену поляризацію тривалий час після зникнення зовнішнього поля
• П'єзоелектрики — змінюють розміри у електричному полі

Див. також

• Провідник
• Напівпровідник
• Надпровідник
• Напівметал (спінтроніка)
• Електроізоляція

Джерела

• Поплавко Ю.М. Фізика діелектриків. — Київ : НТУУ «КПІ», 2015. — 572 с. — ISBN 978-966-622-709-2.
• Богородицкий Н.П., Волокобинский Ю.М., Воробьев А.А., Тареев Б.М. Теория диэлектриков. — М. : «Энергия», 1965. — 344 с.
• Фрёлих Г. Теория диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери. — М. : Издательство иностранной литературы, 1960. — 249 с.

Посилання

• Діелектрик // Універсальний словник-енциклопедія. — 4-те вид. — К. : Тека, 2006.