Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков

около 3 эВ возбуждать свободные электроны, которые и приводят (как и в металлах) к его отражению. В диэлектриках такое отражение происходит в ультрафиолетовой части спектра.

Полупроводники (типа кремния) прозрачны в инфракрасной области спектра, так как энергии квантов этой частоты (1012–1014 Гц) недостаточно для возбуждения свободных электронов. Поэтому типичные полупроводники Ge и Si в инфракрасном диапазоне могут играть роль «почти идеальных» диэлектриков. В то же время обычно применяемые в оптике стекла и ионные кристаллы в инфракрасной области неприменимы, так как они сильно (почти как металлы) отражают и поглощают электромагнитные волны.

Электронные свойства аморфных диэлектриков подобны свойствам соответствующих кристаллов. Так как формирование энергетических зон определяется перекрытием волновых функций электронов близко расположенных атомов, т. е. ближним порядком в расположении атомов, то для аморфных диэлектриков, как и для кристаллов, характерно наличие энергетических зон. Вместе с тем, вследствие нарушения дальнего порядка, резкие границы между разрешенными и запрещенными зонами размываются и плотность состояний электронов и дырок хотя и снижается между зоной проводимости и валентной зоной, однако не обращается в нуль, как в запрещенной зоне кристаллических диэлектриков.

3.2. Полярные и неполярные молекулы. Собственный и индуцированный дипольный момент

Способность к поляризации самым непосредственным образом связана с физико-химической природой диэлектриков, что позволяет (по отношению к поляризационным процессам) подразделять их на два больших класса: неполярные (нейтральные или бездипольные) и полярные (дипольные).

Молекула любого вещества состоит из частиц (атомов или групп атомов, ионов), каждая из которых имеет определенный электрический заряд. В отсутствие внешнего электрического поля алгебраическая сумма всех зарядов равна нулю. Но их пространственное расположение в молекулах различных веществ может отличаться. Если заменить все положительные и отрицательные заряды одним положительным

114

Г лава 3. Поляризациядиэлектриков

и одн им отрицательным, равными по модулю и расположенными в электрических центрах тяжести, то эти суммарные заряды могут либо совпадать в пространстве, л ибо не совпадать.

При совпадении центров тяжести положительных и отрицатель-

ных зарядов собственный электрический (дипольный) момент моле-

кулы μ0 (Кл · м), которым она обладает в отсутствие электрического

поля,
μ0 = ql ,	(3.1)

(где q – суммарный положительный (или отрицательный) заряд молекулы; l – вектор, начало которого совпадает с центро м масс отрицательного заряда, а конец – с центром масс положительного заряда), равен нулю, так как l = 0.

Молекулы, не и меющие собственного дипольного момента, называю тся ней тральными или неполярными. Так, в атомах инертных газов Ne, Ar, He и др., им еющих сферически симметричную электронную оболочку, в отсутствие внешнего электрического поля центр тяжести отрицательного заряда совпадает с центром атома (т. е. с центром полож ительно заряженного ядра), поэтому эти молекулы неполярны

(рис. 3.2, а).

Неполярными являются и молекулы двухатомных газов, состоящие из одинаковых атомов, соединенных гомеополярной связью: Н2, О2, N2, F2, Cl2 и др. (рис. 3.2, б). Примером практически неполярных твердых диэлектриков, используемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, полиэтилен, полистирол и др.

а

б

Рис. 3.2. Молекулы одно атомного (а) и двухатомного газа (б). Распределение отрицательного заряда в молекулах показано различной интенсивностью серого цвета. Большей плотност и отрицательного заряда соответствует бóльшая интенсивность цвета. Символ ы «+» и «– » отража ют расположение центров тяжести пол ожительных и отри цательных зарядов в молекулах

115

Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков

Вышесказанное справедливо и для кристаллических твердых веществ. Если в отсутствие внешнего электрического поля в элементарной ячейке кристалла центры тяжести всех положительных и отрицательных зарядов совпадают, то ее собственный дипольный момент равен нулю (μ0 = 0), как и суммарный дипольный момент всего

N

объема диэлектрика ∑μ0 = 0 , где N – число частиц в диэлектрике.

1

Кристаллы подобного типа обладают центром симметрии и называ-

ются бездипольными.

В диэлектриках даже в отсутствие внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды молекулы пространственно разнесены (имеется асимметрия в распределении электрических зарядов). Такая молекула представляет собой электрический диполь с отличным от нуля собственным постоянным электрическим моментом (μ0 ≠ 0) и является полярной (дипольной), как и вещество, образованное этими молекулами. Следует сказать, что электрический момент характеризует не только внутренние свойства диполя, но и его ориентацию в пространстве.

На рис. 3.3 схематично показана молекула ионного соединения (NaCl, KCl и т. п.), состоящая из положительных и отрицательных ионов, связанных между собой силами электростатического притяжения. Численное значение собственного дипольного момента μ0 по-

лярной молекулы находится по выражению

μ0 = zel ,	(3.2)
где z – валентность иона; e – элементарный заряд,	равный заряду

электрона; l – плечо диполя.

Если несимметричная двухатомная молекула с частично ковалентной связью построена из атомов с различными электроотрицательностями, то она, как правило, полярна, поскольку валентные электроны (т. е. отрицательные заряды) смещены в сторону атома, имеющего бóльшую электроотрицательность. В качестве примера можно назвать молекулы CsCl, HF, HCl и др.

Кполярным диэлектрикам относятся фенолформальдегидные

иэпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.

При оценке полярности вещества необходимо учитывать не условное написание химической формулы, а фактическое расположе-

116

Г лава 3. Поляризациядиэлектриков

ние зарядов в пространстве. Молекулы, имеющие симметричное строение и центр симметрии, неполярны, так как ц ентры тяжести полож ительны х и отрицательн ых зарядов совпадают с центро м симметрии и, сле довательно, друг с другом (рис. 3.4). Э то, например,

двуокись углерода СО 2 (рис.	3.4, а), бензол С6Н6 (рис. 3.4, в), поли-
этилен (–С2Н4 –)n (рис. 3.4, б),	имеющий симметричное строение от-
дельных звеньев молекулярной	цепи относительно оси –С–С– и т. п.

Рис. 3.3. Схематическое изображение дипольной молекулы

а

б

в

Рис. 3.4. Схематическое изображение строения неполярных молекул :

а – двуокиси углерода; б – полиэтилена; в – бензола. Для двуо киси углерода показаны направления дипольных моментов полярны х фрагментов молекулы относительно ее оси симметри и (вертикальная ось)

117

Разд ел 2. Диэлектрически е материалы: основные положения физикидиэлектриков

а

б

Рис. 3.5. Схематическое изображение строения полярных молекул:

а– полихлорвинила; б – воды

Впротивоположность полиэтилену, полихлорвинил (–С2Н 3Cl–)n (рис. 3.5, а), имеющий несимметричное строение относитель но оси

–С–С–, полярен. Вода, химическая формула которой сходна с химической формулой двуокиси углерода, полярна, так как не имеет центра симметри и (рис. 3.5, б).

Вкачестве примера в табл. 3.1 приведены численные значения

собственных д ипольн ых моме нтов μ0 для некоторых ве ществ. Забегая вперед, о тметим, что полярные диэлектрики могут быть

пара- и сегнетоэлектриками, в объеме которых имеются спонтанно поляризованные области. У параэлектриков дипольные моменты струк-

турных единиц распределены по разным направлениям хаотически

исуммарный дипольн ый момент даже небольшого объема равен нулю. У сегнетоэлектриков дипольные моменты ориентированы параллельно

исуммарный дипольны й момент малых объемов не равен нулю.

Таблица 3.1

Дипольные моменты нек оторых молекул

Молекула	μ0 · 1030,	Молекула	μ	0 · 1030,
	Кл · м			Кл · м
Н2O	5,52	N2O		0,51
Н2 O2	6,77	NO	6,48
H F	5,73	NO2	0,87
НСl	3,24	HN O3	6,47
НВr	2,97	F2O	0,90
H I	1,14	BrF	3,87
NH3	4,44	О3	1,59
РН3	1,74	H2S	3,30
Аs Н3	0,39	NaC l		3,0

	Молекула	μ0 · 1030,
		Кл · м
	CsF	2 4,0
	CsCl	3 1,2
	CsI	3 6,8
	СН3О H	5,13
	С2Н5OН	5,01
	СHСl 3	3,03
	HСООН	4,05
	СH3СО ОH	5,19
	С6H5С H3	1,11

118

Г лава 3. Поляризациядиэлектриков

Е = 0

Е

μинд

Рис. 3.6. Схема образования индуцированного дипольного момента у неполярной одноатомной молекулы. Пунктиром показано исходное состояние молекулы

При пом ещении как полярных, так и не полярны х моле кул во внеш нее электрическое поле происходит их поляризация, заключающаяся в смещ ении по ложите льных и отрицательных зарядов из их равновесных положений. Положительные заря ды сме щаются по направлению поля, а отрицатель ные – в противоположном направлении. Вследствие этого нарушается симметр ия нейтральной молекулы и она приобретает д ипольн ый момент, называемый индуцированны м (или

наведенным) электрическим моментом μинд (рис. 3.6).

Индуцированны й дипольный момент п олярных молекул векторно складывается с собственным электриче ским моментом μ0, так что μ = μ0 +μинд .

Поскольку внешние пол я, как правило, значительно меньше внутренних полей в атоме, то наведенные дип ольные м оменты малы. Так, н апряжен ность электрического по ля, создаваемого ядром на боровском радиусе электрона в атоме водорода (r = 0,53 · 10–10 м), примерно равна 1,5 · 1011 В · м–1, в то время как максимальная электрическая прочность тверд ых диэлектриков значительно ме ньше и составляет величин у порядка 107–10 9 В · м–1. Поэтом у можно считать, что внеш нее поле лишь незначительно искажает электрическую структуру молекул, в следствие чего и ндуциро ванный дипольны й момен т μинд

прямо пропорционален напряженности внешнего поля Е:

μинд = zelинд = α Е,

(3.3)

где lинд – сме щение зарядов из равновесного положения под дейс твием электрического поля Е; α – коэффициент, называемый поляризуемо-

119