Электропроводности диэлектриков

Диэлектрики, вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «Диэлектрики» введён М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе, помещённом в электрическом поле, составляющие его электрические заряды испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, образуя электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов — электропроводность или поляризация — преобладает, принято деление веществ на изоляторы и проводники. Электропроводность Диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Их удельное сопротивление r порядка 108—1017 ом·см, а у металлов r ~ 106 — 10-4 ом·см. Существует и промежуточный класс — полупроводники, свойства которых определяются процессами как электропроводности, так и поляризации.

Различие в электропроводности Диэлектриков и металлов классическая физика объясняла тем, что в металлах есть свободные электроны, а в Диэлектриков все электроны связаны, так же принадлежат отдельным атомам, и электрическом поле не отрывает, а лишь слегка смещает их.

Фактически следует говорить не об отдельном электроне, связанном с ядром, а об электронном облаке, окружающем все ядра вещества. Согласно зонной теории твёрдого тела, в кристалличный Диэлектрик при температуре T=0K все ниже разрешённые энергетической зоны полностью заполнены электронами, а все вышележащие пусты.

Полупроводники отличаются от Диэлектриков лишь шириной запрещённой зоны ^ в . К ним принято обычно относить вещества с 8 g ~0,2-3 эВ, а к Д. с £f! >2-3 эВ.

В некоторых случаях приближение зонной теории оказывается недостаточным для решения вопроса о том, является вещество Диэлектриком или проводником. Взаимодействие электронов при определенных условиях приводит к тому, что вещество с незаполненной достаточно узкой разрешённой зоной является Диэлектриком.

Класс Диэлектриков охватывает большое количество веществ в твёрдом, жидком и газообразном состояниях. Твёрдыми Д. являются мн. кристаллы и аморфные вещества (стёкла, смолы). Все газы состоят в основном из нейтральных атомов и молекул и поэтому в обычных условиях не проводят электрич. тока, т. е. являются Д. С повышением темп-ры T атомы и молекулы ионизируются и газ превращается в плазму.

В рамках макроскопич. теории, рассматривающей Д. как сплошную среду (континуальное приближение), для описания электрич. состояния Д. используется понятие плотности электрич. заряда ■1 ' 1 (r - пространств. координата точки), усреднённого по малому объёму, содержащему достаточно большое число атомов. Под действием внеш. электрич. поля в Д. возникает плотность заряда :'17 и в результате - дополнительное к внешнему электрич. поле. Для описания электрич. состояния Д. наряду с р удобно вводить вектор поляризации (электрич. дипольный момент единицы объёма Д.)   , связанный с ■ ’ соотношением:

p = — div ^

Распределение плотности заряда P(H и электрич. поля Е в Д. можно найти, решая систему Максвелла уравнений для статич. поля:

div£=4np; rotf =0, дополненную зависимостью (E) (ур-ние состояния Д.).

Зависимость F(V) характеризует электрич. свойства Д. Она различна для разных веществ и даже для разных образцов одного вещества, т. к. зависит от однородности, степени чистоты материала, содержания дефектов в нём и т. п.

Для большинства Д. в широком интервале полей ^j справедлива линейная зависимость ^ от E , выражаемая для изотропных веществ и кубич. кристаллов соотношением:

S>=*E. (I)

В системе единиц СИ ^=e_QxK , где ^eo=8,85*10^-12 Ф/м. Коэф. пропорциональности x=^*/E в соотношении (3) наз. диэлектрич. восприимчивостью Д. Вместо вектора часто пользуются вектором D , наз. электрической индукцией:

p = ef =Г4-4л5* (в СИ Z^eoE+^^eeof)- (2)

Величина 8 наз. диэлектрической проницаемостью. Очевидно, что: e=l f-4nx (в СИ8= Их).

В вакууме X = 0 И E-- 1 (в системе СГСЭ); для любого Д. ® >1. Величины x и e являются осн. характеристиками электрич. свойств Д. Сила взаимодействия двух точечных электрич. зарядов, помещённых в безграничный Д., в E раз слабее, чем для тех же зарядов в вакууме.

Введение D не даёт дополнит. информации о поведении Д. в электрич. поле и целесообразно лишь для удобства записи ур-ний Максвелла.

Для анизотропных сред вместо (2) справедливо более общее соотношение: О, = e_ikE_k , где £ik - тензор диэлектрич. проницаемости. Это симметричный тензор второго ранга (ttk^tki) , определяемый шестью величинами. В анизотропном Д. ^ и E не параллельны друг другу, т. к. зависит от ориентации вектора E относительно осей симметрии кристалла.

В ограниченном Д., помещённом в однородное внеш. электрич. поле, поляризация и поле однородны лишь в том случае, когда образец имеет форму эллипсоида. В этом случае удаётся найти аналитически поле, обусловленное зарядами, возникшими при поляризации Д. Внутри эллипсоида это поле противоположно по направлению внеш. полю и наз. поэтому деполяризующим. Его величина определяется по ф-ле Ei= — Nik&k , где N_ik - тензор деполяризующих факторов. Для шара N_ik сводится к скаляру: ^rh^C^'-^rk .

Основная задача микроскопической теории Д.- расчёт E , исходя из сведений о структуре вещества.

При помещении в электростатическое поле полярного диэлектрика, диполи переориентировываются таким образом, что вектор напряженности E' внутреннего поля направлен в противоположную сторону относительно вектора напряженности внешнего поля E 0 .

Поляризация приводит к ослаблению внешнего электрического поля в^ раз, где ^ - диэлектрическая проницаемость

Аналогичным образом ведут себя кристаллические диэлектрики.

При помещении во внешнее поле неполярного диэлектрика у нейтральных молекул деформируются электронные облака, происходит электронная поляризация.

При помещении проводника все свободные заряды одного знака устремляются в одну сторону, заряды противоположного знака в противоположную сторону, это явление называется электростатической индукцией. Внутреннее поле, которое при этом образуется внутри проводника "гасит" внешнее поле.

Так как свободные заряды концентрируются по краям, а не во всем объеме вещества, как у диэлектриков, то внутри проводника отсутствует электростатическое поле. Напряженность внутри проводника равна нулю. Использование этого свойства называется электростатической защитой . Помещенные внутрь проводника тела не будут испытывать действие внешнего электростатического поля, проводник как бы ограждает.

ЛИТЕРАТУРЫ:

• 1.    Желудев И.С., Физика кристаллических диэлектриков, M., 1968

• 2.    Киттель Ч., Введение в физику твёрдого тела, пер. с англ., M., 1978

• 3.    Ашкрофт H., Mермин H., Физика твёрдого тела, пер. с англ., т. 2, M., 1979.

"Экономика и социум" №10(65) 2019