- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •Глава 1. ЭЛЕМЕНТЫ КРИСТАЛЛОФИЗИКИ
- •1.1. Основные понятия и определения
- •1.3. Симметрия твердых тел
- •1.4. Основные типы кристаллических структур
- •1.5. Политипизм, полиморфизм и изоморфизм
- •1.6. Аморфные твердые тела
- •1.8. Дефекты структуры реальных кристаллов
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 2. ЭЛЕМЕНТЫ КРИСТАЛЛОХИМИИ
- •2.1. Основные понятия и определения
- •2.2. Химическая связь. Типы химической связи
- •2.3. Основные типы кристаллов
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
- •3.1. Характерные особенности диэлектриков
- •3.2. Полярные и неполярные молекулы. Собственный и индуцированный дипольный момент
- •3.3. Поляризация диэлектриков в постоянном поле
- •3.4. Относительная диэлектрическая проницаемость. Уравнение Клаузиуса – Мосотти
- •3.5. Виды и механизмы поляризации
- •3.8. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости
- •3.9. Диэлектрическая проницаемость композиционных диэлектриков
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 4. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
- •4.1. Особенности электропроводности диэлектриков. Основные понятия и определения
- •4.2. Виды электропроводности диэлектриков
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 5. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
- •5.1. Общие сведения
- •5.2. Тангенс угла диэлектрических потерь
- •5.3. Виды диэлектрических потерь
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 6. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ
- •6.3. Пробой газообразных диэлектриков
- •6.4. Пробой жидких диэлектриков
- •6.5. Пробой твердых диэлектриков
- •6.6. Пробой неоднородных диэлектриков
- •Контрольные вопросы и задания
- •ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- •ПРИЛОЖЕНИЕ
- •КРАТКИЙ ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ
- •ОБОЗНАЧЕНИЯ И ЕДИНИЦЫ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, РЕГЛАМЕНТИРОВАННЫЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫМИ И МЕЖДУНАРОДНЫМИ СТАНДАРТАМИ
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков
химических свойствах классических (пассивных) диэлектрических материалов, так и об особенностях активных диэлектриков, обусловливающих их способность преобразовывать тепловые, механические, оптические и другие воздействия в электрические сигналы. Рассмотрению этих вопросов и посвящен данный раздел.
Глава 3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
3.1. Характерные особенности диэлектриков
Диэлектрики, полупроводники и металлы существенно отличаются друг от друга как по физико-химическим, так и по электрофизическим свойствам. Так, например, показанный на рис. 3.1 температурный ход удельной электропроводности σ диэлектриков и металлов противоположен: в то время как в диэлектриках величина σ растет с увеличением температуры (тепловое движение генерирует новые носители заряда), в металлах она уменьшается из-за рассеяния носителей заряда на тепловых колебаниях кристаллической решетки. Поэтому при низких температурах проводимость металлов резко возрастает, обращаясь в случае сверхпроводимости в бесконечность. В диэлектриках, напротив, при низких температурах величина σ стремится к нулю, ибо отсутствует тепловое движение и, соответственно, генерация свободных носителей заряда.
Одним из важнейших свойств диэлектриков является их способность к поляризации. Согласно современным представлениям явление поляризации сводится к изменению положения в пространстве частиц диэлектрика, имеющих электрический заряд того или иного знака, в результате чего каждый макроскопический объем диэлектрика приобретает некоторый наведенный (индуцированный) электрический момент, которым этот объем диэлектрика до воздействия внешнего электрического поля не обладал (см. параграф 3.2).
В рамках макроскопической теории, рассматривающей диэлектрик как сплошную среду, особые электрические свойства диэлектриков, отличающие их от металлов, объясняются тем, что в металлах очень велика концентрация свободных электронов (ne ≈ 1029 м–3), которые не локализированы, а принадлежат всему кристаллу и образуют «электронный газ»,
110
Глава 3. Поляризациядиэлектриков
окружающий положительно заряженные ионы без образования про- странственно-направленных связей. Наличие такого электронного газа приводит к экранированию электрического поля. Поэтому в металлах электрическое поле равно нулю. И лишь при очень высоких частотах (~1016 Гц) электронный газ в металлах не успевает взаимодействовать с электромагнитным полем, в результате чего становится возможным смещение внутренних электронных оболочек ионов относительно ядер, т. е. происходит поляризация металлов. Напротив, в диэлектриках свободных электронов чрезвычайно мало (при комнатной температуре ne ≈ 1014–1021 м–3), так что они не препятствуют проникновению в диэлектрик электрического поля, вызывающего поляризацию.
С точки зрения микроскопической теории твердых тел, различная концентрация свободных электронов в диэлектриках и металлах обусловлена разной природой их химических связей (см. гл. 2).
Как уже отмечалось, любые связи атомов, молекул или ионов осуществляются посредством электрического взаимодействия. На сравнительно больших расстояниях доминируют силы притяжения, а на малых – силы отталкивания между частицами (см. рис. 2.2). Это обстоятельство препятствует сближению атомов и ионов при определенном расстоянии между ними. При этом важно отметить, что энергия отталкивания Uот быстро убывает с расстоянием r между соседними атомами или ионами: Uот ≈ r–8–r–11. Притяжение является более дальнодействующим. Так, например, в ионных кристаллах энергия притяжения пропорциональна r–1, а в ковалентных – (r–2–r–4). Баланс этих сил обусловливает основные свойства твердых веществ.
σ
Металлы
Диэлектрики
0 |
Т |
Рис. 3.1. Качественный характер температурной зависимости удельной электропроводности металлов и диэлектриков
111
Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков
Для большинства проводников характерна металлическая связь, основанная на общности валентных электронов в веществе. В диэлектриках же возможны разные виды связей: ионная, ковалентная, молекулярная и дисперсионная связь, обусловленная связанными состояниями электронов. В результате электрическое поле, приложенное извне к диэлектрику, практически не приводит к переносу свободных электронов, т. е. к электропроводности, но вызывает смещение связанных электронов, т. е. поляризацию. Следует отметить, что если в процессе поляризации участвуют практически все составляющие диэлектрик частицы, изменяющие свое взаиморасположение, то лишь очень немногочисленные свободные заряженные частицы переносят через диэлектрик электрические заряды и обусловливают его электропроводность.
Количественное различие в электропроводности твердых диэлектриков и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, а в диэлектриках все электроны связаны, т. е. принадлежат отдельным атомам, и электрическое поле не отрывает, а лишь слегка смещает их. Однако такое объяснение неточно. Как показывает современная квантово-механическая теория, твердое тело представляет собой гигантскую «молекулу», где каждый электрон принадлежит всему кристаллу в целом. Это в одинаковой степени справедливо и для диэлектриков, и для металлов. Причиной различного поведения электронов в металлах и в диэлектриках является различный характер распределения электронов по уровням энергии.
Вквантово-механическом представлении различия свойств металлов и диэлектриков объясняются зонной теорией. Структура энергетических зон электронов в кристаллических диэлектриках и металлах качественно различна. При сближении атомов и образовании кристалла электронные уровни энергии атомов за счет их взаимодействия расщепляются, образуя зоны. Особенно сильно расщепляются энергетические уровни внешних (валентных) электронов, так как они взаимодействуют друг с другом сильнее, чем электроны внутренних оболочек. Вид электронных спектров кристаллов зависит от особенностей атомных волновых функций частиц и от степени перекрытия их при сближении атомов в процессе образования кристалла.
Вметаллах различие в энергии между валентной зоной и зоной проводимости несущественно, вследствие чего электроны легко меняют энергию, переходя с уровня на уровень, и поэтому практически
112
Глава 3. Поляризациядиэлектриков
свободны. Электроны в металлах не локализированы (они принадлежат всему кристаллу) и не образуют пространственно-направленных связей между ионами. Во всех остальных кристаллах большинство электронов в той или иной степени локализированы.
В полупроводниках (главным образом в ковалентных кристаллах) ширина запрещенной зоны ∆Eg превышает тепловую энергию (∆Eg > kT ), а валентные электроны образуют электронные пары, связывающие атомы. Примерами могут служить углерод в структуре ал-
маза (∆Eg = 5,33 эВ), кремний (1,12 эВ), Ge (0,72 эВ) и др.
В диэлектриках (преимущественно в ионных и молекулярных кристаллах) валентные электроны локализованы вблизи отдельных анионов или молекул. Энергия связи электронов в диэлектриках намного превышает не только тепловую энергию (∆Eg >> kT), но и энергию видимого света (∆Eg > hν). Поэтому вероятность возбуждения электронов мала.
Диэлектрики и полупроводники качественно подобны: и те и другие имеют запрещенную зону в спектре электронных состояний. Однако в полупроводниках эта запрещенная зона гораздо меньше. Поэтому проводимость полупроводников в 106–1010 раз ниже проводимости металлов, но примерно в такой же степени превосходит проводимость диэлектриков. Зависимость σ(Т) полупроводников лишь в исключительных случаях и в небольшом температурном интервале может носить металлический характер. Как правило, и в полупроводниках, и в диэлектриках температурные зависимости проводимости подобны.
Таким образом, с точки зрения зонной теории, полупроводники качественно отличаются от металлов наличием запрещенной зоны ∆Eg в электронном спектре, в то время как между полупроводниками и диэлектриками есть только количественное отличие. Вещества с ∆Eg > 3 эВ условно относят к диэлектрикам, а при меньших значениях ∆Eg – к полупроводникам.
Количественное различие в ширине запрещенной зоны и величине проводимости приводит к существенной разнице в оптических,
магнитных и электрических свойствах диэлектриков и полупровод-
ников. В оптическом диапазоне волн диэлектрики прозрачны, а полупроводники отражают свет и характеризуются почти металлическим блеском. Причина заключается в том, что относительно узкая запрещенная зона полупроводников позволяет квантам света с энергией
При Т = 300 К тепловая энергия kT = 0,025 эВ.
113