книги из ГПНТБ / Воробей З.Ф. Физика диэлектриков. Диэлектрики в постоянном электрическом поле конспект лекций

Конспект лекций йо

физике диэлектриков

предназначен

цля студентов специальности "Полупроводники и диэлектрики"

(0604). Он издан в виде двух отдельных книжек. В первой

рассматриваются я в л е н и я ,

происходявде

в диэлектриках,

находящихся в постоянном

электрическом

поле,

во второй -

я в л е н и я , происходящие в

диэлектриках,

находящихся в переменном

электрическом п о л е .

алектр о с т а т н ч е с к о е ' п о л е .

Это

определение

диэлектриков

устанавливается

г о с у д а р с т ­

венным

стандартом

( Г и С Т - І 7 и З З - 7 І ) .

В

ыем подчеркивается

то

свойство

дилггектриков,

которое отхичает

их

от

всех

другие

м а т е р и а л о в .

Отдавая

дань истории и великим ученым прошлого,

следует

с к а з а т ь ,

что

впервые понятие „диалѳктржк" ввел II.Фараде! в

1839 г . Он употреблял термин «диэлектрик" для

того,

«чтобы

определить т а к о е вещество,

сквозь

или поперек

которого

д е й ­

ствуют

адектрическне

с и л ы " .

Как

мы

видим,

это

формальное

определение

о с т а е т с я

с п р а ­

ведливым

и в

ваши

дни

и

л е г к о может

быть

объяснено

с

совре ­

менной

точки

з р е н и я . Действительно,

в с е

вещества в

природе

построены

из

полоиитедьно и

отрицательно

заряженных

ч а с т и ц .

В одних веществах заряды не очень

прочно

связаны друг с

д р у ­

гом и

ч а с т ь

из ігах может свооодно перемещаться под действием

п о л я .

Таіше

вещества

называют проводниками

электрического

-

г

-

TiuVwHi1,

что

з а р я д а

только

смещаются

друг относительно

друга

«ш

очень

небольшие

р а с с т о я н и я .

Способность

диэлектриков

н о -

-я радоваться х а р а к т е р и з у е т с я

диэлектрической

проницаемостью

В.силу несовершенства структуры, наличия примесей в ди~

=.театриках

имеется

небольвюе

количество свободных

з а р я д о в ,

•

шм дучше д и э л е к т р и к ,

Теи

их меньше. Благодаряэтому д и -

г г-ктргода обладают

и электропроводностью .

Следует

отметить,

" о

аяектропроводностъ

-

универсальное

свойство

в с е х

Oes

:,

ышченкя

в е щ е с т в .

На

одна

э л е к т р и ч е ск а я

характеристика

не

!

-няется

в

таких широких п р е д е л а х , ' к а к

удельная

проводимость,

V таблице I

приведены

диапазона удельной проводимости

для

• р е - к л а с с о в в е щ е с т в .

. Таблица

I

:

Класс зеществ

•

(Г Ом ' ' л ?

' [

\

;

Диэлектрики

ÎO~1 7

-

ю ~

7

:

;

Полупроводники

и г е

-

ю +

6

;

;

Проводники

і р + 5

-

і о +

7

:

йа

таблицы

с л е д у е т ,

что

удельная проводимость

изменяется

на

24

п о р я д к а . Лучший

диалектрик

будет

проводить

электрический

топ

хуже, чем лучший проводник

в І О 6

^

р а з !

Третьей характеристикой

диэлектриков

я в л я е т с я

т а н г е н с

угла

диэлектрических потерь

ÎQÔ

.

Эта

характеристика

с в я з а н а с обоими свойствами д и э л е к т ­

рика - с поляризацией и электропроводностью . В переменном

поле

ч е р е з

диэлектрик протекают реактивный

и

активный

т о к и .

-

3

-

Бели в диэлектрике ш е е *

место

замедленная

(релаксационная)

поляризация, то активны!

ток

в

переменном

поле будет з н а ч и ­

реальном

диэлектрике ток опережает напряжение не

на 9 0 ° , а

на

угол

(р . Векторная диаграмма для диэлектрика

показана

на

р и с .

I .

Р и с .

I

Угол,

дополняющий сдвиг фаз между током

и напряжением на

у ч а с т к е цепи

с

д и э л е к т р и к о м , н а з ы в а е т с я

углом

диэлектрических

потерь

â

.

Из

р и с . I

с л е д у е т ,

что

tçô

=

.

Диэлектрик-

тем

лучше,

чем

меньше

угол Ô .

tgâ

для хорошего

д и э л е к т р и ­

ка

значительно

меньше

единицы

(

tgâ

«

I).

С

этой

точки вренвд диэлектриком я в л я е т с я т а к о е

вещество,,

в котором реактивный ток значительно больше

а к т и в н о г о .

Описанные свойства диэлектриков определили хорошо

и з ­

вестные

нам

области

их применения. С давних

пор

диэлектрики

служат для изготовления конденсаторов и дня

создания

электри­

ческой

изоляции .

Однако

роль

диэлектриков

в современной

технике

этим а е

. о г р а н и ч и в а е т с я ,

т . н .

по мере

развития науки

у тх

были

о т ­

крыты н о ш е

с в о й с т в а .

-

4

-

Так некоторые

диэлектрики

поляризуется

под

влиянием м э -

м н я ч е с к о г о

в о з д е й с т в и я .

Явление

поляризации

диэлектриков

•год влиянием

м е х а н и ч е с к и

усилий

называют

пьезоэлектрическим

фЗЬектом (от

слова

pieso

-

давлю), е материалы,

имеющие'та-

' іе с в о й с т в о » - п ь е з о э л е к т р и к а м и .

Есть группа д и э л е к т р и к о в ,

в

которых

происходит слонто.ч-

.'брзэуюгея

наэлектризованные

( б е з

воздействия внешнего

а л е к -

'•пигческого

поля)

о б л а с т и .

Такие диэлектрики

называют

с е г н е -

<"алектриками.

Есть

диэлектрические

кристаллы,поторые

имеют особые

о п -

т Р " е с к и е

свойства

и ѵ

наконец,

диэлектрики

(их называют

ѳ д е к -

"рет-ами),

которые

долго

сохраняют

состояние

поляризации

и

' -здают

в

окружающем

их

п р о с т р а н с т в е

электрическое поле

п о с -

- м л е н и я внешнего

п о л я .

Диэлектрики,

обладающие

перечисленными

особенностями,

называют

активными. Название

это с в я з а н о

с

тем,

что

емкостью

а»

с е г н е т о э л е к т р в ч е с к о г о

конденсатора

можно

у п р а в л я т ь ,

меняя

напряженность

поля

в

нем;

величина

п ь е з о э л е к т р и ч е с к о г о

з а р я ­

да зависит

от

с і е п е н и

механического усилия и т . д . Обычные

диэлектрики,

не

имеющие дополнительных

с в о й с т в ,

называют

пассивными

-

от

внешних

воздействий

их

характеристики

не

з а ­

в и с я т .

На

р и с . 2

дана

классификация твердых

диэлектриков,

из

которой видно, что они весьма разнообразны по химической

природе

и

с в о й с т в а м .

Так

керамика

и с т е к л а

могут

быть

а к ­

тивными

и пассивными,

линейные полимеры

и

компаунды

м о ­

гут быть

электретами

и

т . д .

Электроизоляционные

УпраЪтемыг мехна-

I и нонЯешаторньіе

!териаяыfактивныеJ

Иные)

Р и с .

2

Совершенно

естественно,

что крут

вопросов,

который

и з у ­

ч а е т с я в связи

с

диэлектриками, очень

большой. Вопросы

п ь е з о ­

электричества

и

с е г н е т о э л е к т р и ч е с т в а

изучаются

и описываются

в специальной

л и т е р а т у р е .

Тоже относятся к оптическим

кристал

лам

и а д е к т р е т а ы .

Наука,

изучающая

ооыие

свойства

д и э л е к т р и к о в ,

н а з ы в а е т ­

ся

мТеорией

диэлектриков"

идя «Физикой д и э л е к т р и к о в " .

Перво­

начально возникла

так

называемая ..Макроскопическая

теория

д и э л е к т р и к о в " .

Молекулярные

механизмы

поляризации з д е с ь

не

р а с с м а т р и в а е т с я .

Берется

во

внимание

окончательный,

ыакре

скопнческий

р е з у л ь т а т

поляризации .

В макроскопической

теории

диэлектриков

электрическое

ноле

х а р а к т е р и з у е т с я

средней внешней

напрлиенностьга

п о л я , т . е .

отношением.величины приложенного напряжения к толщине

д и а л е к т - '

гака.

Сам диэлектрик

х а р а к т е р и з у е т с я

тремя

указанными

ранее

натфоскопическими

величинами -

диэлектрической

проницаемостью

<5

,

удельной

проводимостью

ff

,

тангенсом

у г л а

д и э л е к т р и ­

ческих

потерь

~toS" .

Эти

величины входят в

уравнения

Максвелла,

описывающие

электрическое

поле

в

диэлектриках,

распространение

электромагнитных волн в них^и в уравнения для других м а к р о ­

скопических

эффектов.

С макроскопической

точки

зрения

диэлектрики р а с с м а т р и в а ­

ются

в

р а з д е л е

общей

физики -

э л е к т р о с т а т и к е ,

в

теоретических

основах

электротехники

и

д р .

В начале

XX в е к а

возникла

самостоятельная

отрасль

физи ­

ки - физика диэлектриков, которая изучает поведение

д и э л е к т ­

риков в слабых и сильных полях

с молекулярной

точки

з р е н и я .

Рассматривая

механизмы

поляризации,

электропроводности, д и ­

электрических

п о т е р ь ,

физика .диэлектриков должна установить

с в я з ь

меаду

макроскопическими

характеристиками

диэлектриков

( é

, Jf

,

и

микроскопическими

характеристиками

ч а с т и ц ,

участвующих л поляризации и электропроводности . Такими

п а р а ­

метрами

являются

заряды

ч а с т и ц ,

их размеры,

энергия

с в я з и ,

время

релаксации

и

д р .

В с в я з и

с

так игл подходом

к

выяснению

механизмов взаимодействия диэлектриков с электрическим полем

физика

диэлектриков опирается

на

молекулярную

физику,

физи ­

ческую

химию.

При

некоторой

достаточно

большой

напряженности

э л е к т р и ­

ческого

поля

в

диэлектриках происходят

процессы, в

р е з у л ь т а т е

-

У -

которых в них

о б р а з у е т с я

канап высокой электрической

проводи ­

мости . При такой напряженности поля диэлектрик

т е р я е т изоляціі-

oiiHLie

с в о й с т в а ,

т . е .

пробивается.-

После с н я т и я

поля

изоляцион ­

ные с в о й с т в а

газообразных и жидких

диэлектриков

в о с с т а н а в л и в а ­

й с я ,

пробой

твердых

диэлектриков

- процесс

необратимый,

. В с в я з и

с явлением

пробоя диэлектрики

характеризуются

четвертой макроскопической х а р а к т е р и с т и к о й , - к о т о р а я

называется

электрической

прочностью

Ещ>.

Эта х а р а к т е р и с т и к а

определяет

возможность

применения .ди­

электрика при повышенном напряжении.

.. -

Изучение. механизма пробоя .диэлектриков - один на самостол

тельных р а з д е л о в

физики

д и э л е к т р и к о в .