Основные физические явления в диэлектриках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные физические явления в диэлектриках

Комплексная цель

Напомнить некоторые сведения из электростатике диэлектриков. Рассмотреть ключевые понятия о дипольном моменте, процессе поляризации, связанных и свободных зарядах, электропроводности диэлектриков.

Диэлектрики могут находиться в разных агрегатных состояниях. Это газы, жидкости, аморфные и кристаллические вещества. Главное физическое свойство, которое их объединяет, это особое поведение в электрическом поле: в диэлектриках происходит ограниченное в пространстве смещение электрических зарядов - поляризация и, практически, отсутствует перемещение зарядов - электропроводность. Рассмотрим эти процессы.

1. Электростатика диэлектриков

Под действием электрического поля Е частицы, составляющие диэлектрик, превращаются в диполи из-за того, что происходит смещение положительных и отрицательных зарядов этих частиц (атомов, ионов, молекул и т.п.). Это смещение вызывает появление элементарного электрического дипольного момента, связанного с отдельными частицами. Дипольный момент диэлектрика определяется концентрацией частиц. Элементарный дипольный момент равен произведению элементарного заряда на расстояние между положительным и отрицательным зарядами. Это вектор, направлен от отрицательного заряда к положительному. Его модуль равен

. (1)

При макроскопическом описании диэлектрика, когда он рассматривается как сплошная среда, для описания его электрического состояния вводится понятие поляризованности (Р).

(2)

где - объем диэлектрика.

В изотропном диэлектрике при приложении электрического поля все элементарные диполи получают одинаковое направление, обусловленное направлением поля, и в этом случае (2) можно представить так

(3)

где - объемная концентрация диполей,

- смещение элементарных зарядов.

Если известны и , то поляризованность легко вычисляется. Процесс образования диполей называют поляризацией.

Поскольку электрическое состояние диэлектрика зависит от величины и направления электрического поля Е, важной характеристикой является диэлектрическая восприимчивость кристалла, связывающая вектора и .

(4)

где - диэлектрическая постоянная,

- диэлектрическая восприимчивость.

В вакууме =0, в газах , а в твердых телах . Взаимосвязь между полем, действующим на данную частицу, и величиной элементарного дипольного момента можно записать следующим образом

(5)

где - поляризуемость.

Напомним, что мерой поляризованности является плотность связанного заряда на поверхности, перпендикулярной к [8-10], т.е. .

Связанный заряд возникает там, где поляризованность изменяется в пространстве, в данном случае у поверхности диэлектрика. Если диэлектрик поляризован неоднородно, то связанный заряд появляется внутри кристалла, он характеризуется объемной плотностью связанного заряда .

Связь между и дается соотношением

 (6)

Уравнение, связывающее вектор с плотностью всех зарядов, записывается следующим образом: диэлектрик заряд поляризация плотность

(7)

где - сумма плотности связанных и свободных зарядов.

Из (6) и (7), а также из известной связи векторов :

(8)

где - вектор электрической индукции, следует, что

. (9)

Соотношение (9) - уравнение Пуассона, указывающее на то, что вектор определяется свободными зарядами. Свободные заряды, в отличие от связанных, перемещаются в диэлектрике, участвуя в электропроводности при наличии внешнего поля Е. Уравнение (9) совместно с уравнением

(10)

составляет систему уравнений Максвелла применительно к электростатике диэлектриков. Найдем теперь поле в однородно поляризованной пластинке, находящейся в вакууме. Так как в диэлектрике , то из (9) следует, что , где - некоторый постоянный вектор. Из (8) получим, что поле внутри пластины будет равно , а вне ее . Отсюда следует, что вектор должен быть равным нулю, т.к. поле в отсутствие каких - либо зарядов должно быть равным нулю. Таким образом, поле внутри пластины . Это поле деполяризации, оно направлено против вектора поляризованности . Связь между векторами и выражается так

(11)

Здесь - относительная диэлектрическая проницаемость. Произведение получило название абсолютной диэлектрической проницаемости, она имеет размерность величины , т.е. [Ф/м] (=). Если не зависит от поля, то из (4) и (11) получаем

, (12)

откуда следует, что . В изотропных диэлектриках, где направлены вдоль одной и той же оси и - простые числа. В анизотропных диэлектриках - тензор второго ранга. Диэлектрическая проницаемость отражает важнейшее физическое свойство диэлектриков. Она зависит от температуры, частоты и напряженности электрического поля.

2. Поляризация диэлектриков

Микроскопические представления о механизмах поляризации сводятся к локальным представлениям о возможных процессах возникновения электрических диполей в диэлектрике. Необходимость перехода к простым и ясным моделям процесса поляризации обусловлена сложностью учета разнообразных взаимодействий электронных оболочек и ядер атомов, ионов, молекул диэлектрика, требующих квантово - механического подхода. Модельные представления целесообразно классифицировать по ряду характерных особенностей. Прежде всего отмечается, что в поляризации могут участвовать различные частицы, смещение которых ведет к появлению диполя. Это электроны, смещающиеся под действием поля из равновесного положения в атомах и молекулах; ионы, отклоняющиеся из равновесных положений в молекулах или кристаллах; это диполи полярных молекул или групп, изменяющие свою ориентацию. Следовательно, в соответствии с природой частиц, образующих диполи, поляризация может быть электронной, ионной или дипольной. Указанные виды поляризации могут приводить к образованию электрического момента разными способами. Если частицы в структуре диэлектрика связаны жестко, то внешнее поле только выводит их из положения равновесия, а после его удаления диполи исчезают. В этом случае при поляризации развиваются возвращающие силы, имеющие квазиупругий характер. Такую поляризацию называют упругой.

При более слабой связи частиц под действием электрического поля и при участии тепловых колебаний заряженные частицы могут занимать новые устойчивые положения, перемещаясь на расстояния, сравнимые с размерами атомов или молекул. Эти перемещения не хаотичны, как в отсутствие поля, а упорядочены, что и ведет к образованию электрического момента. Такой вид поляризации был назван тепловым или релаксационным, что отражает роль тепловых колебаний и протяженность процесса во времени. Время установления равновесного состояния получило название время релаксации . Наибольший вклад в тепловую поляризацию дают дефекты. Значительная зависимость (Т) и диэлектрического вклада характерна для поляризации неоднородных диэлектриков. Накопление зарядов на границах неоднородностей (поры, включения, градиент концентрации дефектов) приводит к объемно - зарядовой поляризации. При этом процессе под действием поля заряженные частицы мигрируют на значительные расстояния.

Кроме индуцированной полем поляризации, можно обнаружить другие виды, обусловленные неэлектрическим воздействием и особым расположением атомов при фазовом переходе, в результате чего в диэлектрике проявляется самопроизвольно возникающая (спонтанная) поляризация.

Пьзополяризация возникает в нецентросимметричных кристаллах под действием механического напряжения, пирополяризация - при изменении температуры кристалла - пироэлектрика, имеющего спонтанную поляризованность, фотополяризация - в кристаллах, где под действием облучения светом происходит передислокация заряженных частиц. Остаточная поляризация создается предварительной обработкой диэлектрика полем, наиболее характерный пример, это сегнетокерамика и электреты, в которых поляризация как бы замораживается.

На основе рассмотренных механизмов поляризации можно провести классификацию диэлектриков. Кроме особенностей поляризации необходимо учитывать также и особенности структуры диэлектриков.

По особенностям структуры можно выделить три большие группы: газы, жидкости, твердые тела. В этих группах существенно различаются все процессы, протекающие в диэлектриках. По особенностям поляризации диэлектрики разделяются на два основных класса: неполярные и полярные. К полярным относятся те газы и жидкости, которые содержат диполи - молекулы. Отличие полярных диэлектриков от неполярных проявляется уже в газах, где отличается от квадрата коэффициента оптического преломления . Еще больше оно в жидких диэлектриках. Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей достигает 80 единиц, в то время как для неполярных не превышает трех. Твердые диэлектрики можно разделить на два класса: центросимметричные и нецентросимметричные, первые не являются пьезоэлектриками, вторые - пьезоэлектрики. Каждая из групп может делиться по структурным признакам с учетом возможных механизмов поляризации.

Центросимметричные твердые диэлектрики можно разделить на аморфные диэлектрики, поликристаллы и монокристаллы. Аморфные диэлектрики являются материалом для изготовления электретов, поликристаллы - ситаллы, керамика отличается по способу получения, фазовому составу и по свойствам. Это неоднородные диэлектрики. Монокристаллы отличаются регулярной кристаллической структурой, они изотропны, что дает возможность понять те или иные механизмы поляризации, протекающие в них.

Нецентросимметричные твердые диэлектрики - это монокристаллы и текстуры. Пьезокерамику можно отнести к текстурам, т.к. она приобретает пьезоэффект при поляризации ее полем, в результате чего возникает остаточная поляризованность. Нецентросимметричные кристаллы - это пьезоэлектрики. Из 32 классов кристаллов 20 являются ацентричными, 10 из них относятся к классу пироэлектриков, симметрия которых допускает наличие полярной оси. Они могут быть спонтанно поляризованными.

Сегнетоэлектрики представляют подгруппу пироэлектриков. В них спонтанная поляризованность существует в определенном температурном интервале и может быть обращена электрическим полем, чего нет в классических пироэлектриках.

3. Электропроводность диэлектриков

При подаче на диэлектрик постоянного поля он не должен пропускать электрический ток, однако, идеальных изоляторов нет. В зависимости от структуры диэлектрика, примесей и степени внешних воздействий величина проводимости диэлектриков лежит в интервале от до См/м. Макроскопические представления об электропроводности основаны на законе Ома, предполагающем прямую пропорциональность тока через диэлектрик электрическому напряжению

, (13)

где - проводимость диэлектрика,

- напряжение на обкладках конденсатора с диэлектриком.

Закон Ома выполняется в относительно слабых полях. В твердых диэлектриках принято различать объемную и поверхностную проводимость из-за разных концентраций дефектов в объеме и на поверхности, а также из-за состояния самой поверхности. Для характеристики диэлектрического материала, обычно, используется величина удельной объемной или поверхностной проводимости

, (14)

где - толщина диэлектрика,

- площадь электрода;

. (15)

Поверхностная удельная проводимость определятся как проводимость прямоугольного участка поверхности диэлектрика шириной а и длиной . В ряде случаев на практике используют понятие удельного объемного или поверхностного сопротивления.

В соответствии с природой носителя заряда электропроводность диэлектриков можно считать электронной, ионной или молионной, если носителями заряда являются заряженные группы молекул или макроскопические частицы. Заметное отличие механизма электропроводности в диэлектриках и полупроводниках проявляется в случае электронной проводимости. Дело в том, что в окрестности свободных электрона или дырки происходит поляризация среды, деформируется кристаллическая решетка. Область искаженной решетки вместе с носителем заряда получила название «полярон» [5,6]. Полярон имеет большую эффективную массу и, как следствие, гораздо более низкую подвижность, чем свободный носитель заряда в полупроводнике, что сильно снижает проводимость диэлектрика.

Размещено на Allbest.ru