Діелектрик

Діеле́ктрик (англ. dielectric, від д.-грец. δια- — «через» + «електрика») — речовина, що не проводить електричний струм і питомий опір яких становить 10⁸…10¹⁷Ом·см. У таких речовинах заряди не можуть пересуватися з однієї частини в іншу (зв'язані заряди). Зв'язаними зарядами є заряди, що входять до складу атомів або молекул діелектрика, заряди іонів, в кристалах з іонною ґраткою.

Напруженість електричного поля в діелектрику є меншою ніж напруженість такого ж поля у вакуумі. Співвідношення

${\displaystyle E_{0}\,=\,{\frac {E}{\varepsilon }}}$

— визначає діелектричну проникність ${\displaystyle \varepsilon }$. Тут Е — напруженість поля, яка створювалася б за однакових умов у вакуумі, Е₀ — напруженість у діелектрику. Очевидно, що у вакуумі ${\displaystyle \varepsilon \,=\,1}$.

У 1836 році Фарадей відкрив, що електричне поле не проникає всередину кімнати, захищеної шаром металу (конструкція, що отримала назву «клітка Фарадея») — що контрастувало з проходженням силових ліній електричного поля крізь «звичайні» речовини, такі як повітря або скло. Для опису цього феномену Фарадею знадобився термін для не-провідників. Він звернувся до Вільяма Вевелла з проханням придумати відповідну назву, і у грудні 1836 Вевелл запропонував термін «діелектрик»^[1].

У провідниках носії заряду (в першу чергу, електрони) можуть вільно переміщуватися по всьому об'єму матеріалу під дією зовнішнього поля. За рахунок цього, з одного боку, провідники мають малий опір, а з іншого — розподіл зарядів на поверхні провідника повністю компенсує зовнішнє електричне поле, таким чином, що всередині провідника поле відсутнє. У діелектрику заряди прив'язані до своїх атомів і не можуть вільно переміщатися. Під дією зовнішнього поля позитивні і негативні заряди можуть лише трохи зміщуватися один відносно одного^[2], перетворюючи атоми на диполі, зорієнтовані переважно в одному напрямку. Це явище називається поляризація. За рахунок поляризації, заряди у діелектрику також перерозподіляються, і частково компенсують зовнішнє поле, проте не можуть знищити його повністю.

Чітко розділити діелектрики і провідники можна було б лише за наднизьких температур — діелектрики у такому випадку мають нульову провідність, а провідність металів — навпаки, зростає. На практиці ж, ідеальних діелектриків не існує, і у будь-якій речовині існують вільні носії заряду. Рішення, до якого класу віднести речовину, приймається в залежності від того, що саме більше впливає на електричні властивості речовини — рух вільних носіїв заряду чи поляризація^[2].

З точки зору зонної теорії, у ідеальному діелектрику всі електрони знаходяться у валентній зоні, яка відділена від зони провідності забороненою зоною, тоді як у провіднику верхня дозволена зона заповнена частково, і електрони легко можуть переходити з одного рівня на інший^[2], або ж валентна зона і зона провідності прекриваються^[3].

Зазвичай, виділяють також проміжний клас, напівпровідники, що, по суті, є діелектриками з вузькою забороненою зоною. Діелектриками вважають речовини з забороненою зоною ширшою за 2-3 еВ (енергія фотонів видимого світла), тоді як у напівпровіднику її ширина становить лише 0,2-2 еВ^[2].

Деякі речовини можуть переходити з провідного стану у діелектричний і навпаки. Часто такі переходи відбуваються під дією температури^[4].

У зовнішньому полі позитивні і негативні заряди у діелектрику зміщуються відносно один одного, завдяки чому в усьому об'ємі діелектрика виникає дипольний момент, а на протилежних його кінцях — різнойменні електричні заряди^[5]. Ці заряди створюють у тілі електричне поле, напрямлене протилежно до породжуючого поля. Завдяки цьому, електричне поле всередині діелектрика є меншим, ніж зовні. Величина, що показує, у скільки разів ослаблюється поле називається діелектричною проникністю і позначається літерою ε.

Кількісною мірою поляризації є вектор поляризації, що дорівнює відношенню дипольного моменту в малому об'ємі діелектрика до цього об'єму^[6]:

${\displaystyle {\vec {P}}=\lim _{dV\to 0}{\frac {\vec {dM}}{dV}}}$

У порівняно слабких полях, поляризація є пропорційною до зовнішнього поля^[2]:

${\displaystyle {\vec {P}}=\varkappa {\vec {E}}}$

Коефіцієнт пропорційності ${\displaystyle \varkappa }$ називається діелектричною сприйнятливістю. У системі ISQ у правій частині цього рівняння з'являється множник ${\displaystyle \varepsilon _{0}=8.8541878176\cdot 10^{-12}}$ Ф/м, який називають електричною сталою.

Діелектрична сприйнятливість і діелектрична проникність пов'язані як^[2]:

${\displaystyle \varepsilon =1+4\pi \varkappa }$ (${\displaystyle \varepsilon =1+\varkappa }$ у системі ISQ)

У випадку сильних, порівняно з внутрішньоатомними, електричних полів, ця залежність стає нелінійною^[5].

Існує кілька механізмів поляризації діелектриків.

Найбільш універсальний механізм, що працює в усіх речовинах. Кожен атом складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, що обертаються навколо. Зовнішнє поле діє на ядро і електрони, розтягуючи їх в протилежних напрямках. Якщо вважати електрон гармонічним осцилятором з частотою ${\displaystyle \omega }$, пружно пов'язаним з ядром, під дією зовнішньої сили його положення рівноваги буде зміщуватися (так само, як зміщується положення рівноваги звичайного пружинного маятника під дією сили тяжіння), на відстань^[7]

${\displaystyle \mathbf {r} ={\frac {e\mathbf {E} }{m_{e}\omega ^{2}}}}$

Кожен електрон створює у атомі дипольний момент, що дорівнює ${\displaystyle \mathbf {r} e}$. Електронна поляризація є найбільш швидким механізмом, і основним для полів, що змінюються з великою частотою (наприклад, для видимого світла), оскільки встановлюється за час порядку 10⁻¹⁵ с^[8].

У іонних кристалах зовнішнє поле може зміщувати іони з положення рівноваги. Цей механізм є подібним до електронної поляризації, проте масивні іони зміщуються повільніше, за час порядку 10⁻¹²—10⁻¹³ с^[8].

У деяких випадках іони можуть зміщуватися на значні відстані, що перевищують відстань між ними. Така поляризація називається іонно-релаксаційною'. Вона встановлюється протягом тривалого часу, тому є більш важливою для постійних полів^[8].

Усі молекули можна поділити на два великих класи: центрально симетричні молекули, такі як кисень, діоксид вуглецю або бензол називають неполярними, оскільки завдяки симетрії вони не мають дипольного моменту. У несиметричних молекулах, таких як вода або неорганічні кислоти, центри розподілів позитивних і негативних зарядів не збігаються, завдяки чому кожна молекула має дипольний момент. Такі речовини називаються полярними. У дипольних рідинах і газах без зовнішнього поля моменти усіх молекул напрямлені хаотично, і середній дипольний момент речовини дорівнює нулю. При прикладанні зовнішнього електричного поля, молекули орієнтуються вздовж нього, завдяки чому у речовині з'являється дипольний момент^[8]. Тепловий рух не дозволяє молекулам зберегти орієнтацію надовго, тому ця впорядкованість має статистичний характер — ймовірність знаходження молекули в положені вздовж ліній поля більша, ніж у інших положеннях. Ймовірність відрізняється не дуже сильно навіть у сильних полях: у електричному полі напруженістю 100 000 В/см різниця становить лише кілька відсотків^[9]. Цей тип поляризації (а отже, і вклад, який він дає у діелектричну проникність) сильно залежить від температури^[10].

Загалом, діелектрики дуже погано проводять струм: їх опір перевищує 10⁸Ом·см і доходить до 10¹⁷ Ом·см^[11]. У ідеальних діелектриках носіїв заряду не існує, проте у реальних вони виникають за рахунок впливу температури, хімічних реакцій, електромагнітного випромінювання та інших механізмів. Носіями заряду у діелектриках можуть бути електрони, дірки, полярони, іони, моліони (заряджені групи молекул і більші частинки)^[12]. Провідність діелектриків зазвичай прямує до нуля, якщо температура знижується до абсолютного нуля, на відміну від провідників, у яких в цьому випадку до наближається до нуля опір.

У газах завжди підтримується деяка концентрація заряджених частинок: під дією радіації або через високоенергетичне зіткнення атом втрачає електрон, який, зазвичай, швидко приєднується до нейтральної молекули, в результаті чого утворюються позитивний і негативний іони. Під час зіткнення такі іони рекомбінують, перетворюючись на нейтральні атоми і молекули. Таким чином, підтримується динамічна рівновага заряджених частинок. У зовнішньому електричному полі ці частинки починають рухатись у протилежних напрямках. Кількість таких заряджених частинок є дуже невисокою, тому провідність газів є незначною — порядку 10^-15 Ом^-1·см^-1 у слабких полях^[13].

Після підвищені напруження до деякого критичного значення, закон Ома у газах перестає виконуватися і струм перестає зростати. Такий струм називається струмом насичення. Для повітря його значення не перевищує 10^-18 А/см² і досягається вже за напруги у тисячні долі вольта (при відстані між електродами в 1 см). Такий ефект виникає через те, що кількість іонів у повітрі обмежена, і не залежить від напруги, і за достатньо високої напруги, усі вони швидко потрапляють на електроди і припиняють подальший рух^[14].

Тип перенесення заряду, під час якого вони більшість часу прискорено рухаються під дією поля, і зрідка взаємодіють з іншими частинками називають дрейфовим^[15].

Іони, що формують кристалічну ґратку, не можуть вільно переміщуватися у кристалі, проте у реальних кристалах завжди містяться домішки і дефекти. Іони, що знаходяться у міжвузлях (дефекти Френкеля) , або навпаки, відсутні іони (дефекти Шотткі) відіграють роль заряджених частинок або дірок. Такий тип провідності є подібним до електролізу, і так само супроводжується перенесенням маси, тому з часом опір діелектриків, де працює такий механізм, зростає, оскільки атоми домішок осідають на електродах^[16].

Рух іона полягає у послідовному "перескакуванні" з одного положення в інше. Ймовірність подолання потенціального бар'єру між положеннями сильно залежить від температури. Питома провідність діелектрика у цьому випадку дорівнює^[17]

${\displaystyle \sigma _{0}={\frac {n_{0}q^{2}\delta ^{2}\nu E}{6kT}}e^{-{\frac {U}{kT}}}}$,

де ${\displaystyle n_{0}}$ — концентрація домішок, ${\displaystyle q}$ — заряд іона, ${\displaystyle \delta }$ — відстань між сусідніми положеннями іона, ${\displaystyle \nu }$ — частота теплових коливань іонів ґратки, ${\displaystyle U}$ — значення потенціального бар'єру між сусідніми положеннями.

У випадку тривалого протікання струму формула може ускладнюватися, оскільки, після осідання домішок на електродах, провідність залежить від швидкості утворення нових дефектів, яка теж залежить від температури^[18].

Особливий тип іонної провідності. Поверхня діелектрика неминуче забруднюється, зволожується і окиснюється, тому кількість домішок і дефектів ґратки на ній значно вища, ніж всередині^[19]. Поверхнева провідність може перевищувати об'ємну. Особливо це стосується пористих діелектриків, які добре зволожуються, оскільки вода сприяє дисоціації молекул діелектрика і значно пришвидшує рух іонів^[16].

У змінному електричному полі, частина енергії електричного поля переходить у теплоту. Цей процес можна виразити математично, якщо прийняти, що діелектрична проникність є не дійсною, а комплексною величиною:

${\displaystyle \varepsilon =\varepsilon '+i\varepsilon ''}$

Величини ${\displaystyle \varepsilon '}$ і ${\displaystyle \varepsilon ''}$ у такому разі залежать від частоти, з якою змінюється поле.

Теплова енергія, що виділяється при цьому за одиницю часу в одиниці об'єму дорівнює:

${\displaystyle W={\frac {\varepsilon '{\bar {E}}^{2}\omega }{4\pi }}tg\delta }$

де ${\displaystyle \omega }$ — частота зміни поля, ${\displaystyle {\bar {E}}}$ — середнє значення напруженності поля, а ${\displaystyle tg\delta }$ — тангенс кута діелектричних втрат, характеристика діелектрика, що задається як^[20]:

${\displaystyle tg\delta ={\frac {\varepsilon '}{\varepsilon ''}}}$.

При достатньо великій напрузі у діелектрику різко зростає сила струму. Це явище називається пробій. Критична величина напруги, при якій стається пробій називається електричною міцністю^[2].

Існує кілька механізмів виникнення пробою^[21]:

1. Через діелектричні втрати під час проходження струму діелектрик розігрівається, що зменшує його опір, і збільшує струм, аже допоки частина діелектрика не розплавляється.
2. Через утворення електронних лавин, коли у сильному полі електрон встигає між зіткненнями розігнатися до такої швидкості, що його енергії вистачає на іонізацію атома.

• газоподібні (більшість газів);
• рідкі: неполярні (олія) і полярні (хімічно чиста вода);
• тверді: аморфні (пластмаси, скло) і кристалічні (іонні кристали).

• Сегнетоелектрики — здатні до спонтанної поляризації
• Електрети — здатні зберігати наведену поляризацію тривалий час після зникнення зовнішнього поля
• П'єзоелектрики — змінюють розміри у електричному полі

• Провідник
• Напівпровідник
• Надпровідник
• Напівметал (спінтроніка)
• Електроізоляція

• Поплавко Ю.М. Фізика діелектриків. — Київ : НТУУ «КПІ», 2015. — 572 с. — ISBN 978-966-622-709-2.
• Богородицкий Н.П., Волокобинский Ю.М., Воробьев А.А., Тареев Б.М. Теория диэлектриков. — М. : «Энергия», 1965. — 344 с.
• Фрёлих Г. Теория диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери. — М. : Издательство иностранной литературы, 1960. — 249 с.

• Діелектрик // Універсальний словник-енциклопедія. — 4-те вид. — К. : Теза, 2006.