книги из ГПНТБ / Воробей З.Ф. Физика диэлектриков. Диэлектрики в постоянном электрическом поле конспект лекций
.pdfШШСШ'СТВО ВЫСШЕГО И С Р В Д М » СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЙ БССР
МИНСКИЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра ' полупроводников л дивлектриков
Воробей З . Ф .
ФИЗИКА ДИЭЛЕКТРИКОВ
Диэлектрики в постоянном электрическом иоле (конспект лекций)
Mitне к - ІУУЗ
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 . |
|
|
|
-I _
ВВ Е Д Е Н И Е
Понятие о дналектржках. Предмет к содержание курса
„Физика днвлиягрнвов"
диелектржжамж называются векеотва, основшш алеххржчео-
нжы свойством которых является способность поляризоваться в
электрическом поле к в которых может длительно существовать
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 |
noua. В других веществах заряда прочно с в я з а н ы . Такие веще ства называют диэлектржками. Под влиянием электрического п о л я они поляризуются .
Поляризация, т . е . образование д в у х ПАЯХЧФ», происходит
|
|
|
|
|
|
|
- |
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 |
тельно превышать актжвныі ток в постоянном поле . Поэтому в
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- |
"чя поляризация . В известном температурном интервале в них
.'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 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-5 -
Цизлент^ики
Электроизоляционные |
УпраЪтемыг мехна- |
I и нонЯешаторньіе |
!териаяыfактивныеJ |
|
Иные) |
I
|
|
|
|
|
|
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 . |
|
|
|