Физика на диелектриците

Физиката на диелектриците е наука, посветена на изучаването на физичните свойства на диелектриците и на явленията и процесите, които протичат в тях.

Диелектрик (от грц. dia – през,
и англ. electric – електричен).

През 1839 г. английският учен М. Фарадей (1791—1876) въвежда понятието диелектрик за обозначаване на вещества, „през или напряко на които действат електрични сили“, т.е. в които прониква електрично поле. Предложеното от Фарадей наименование се употребява и днес.

Характерна черта на диелектриците е нищожната им електропроводимост, особено при сравняване с металите. Това различие се обяснява по няколко начина. Според класическата теория в металите има свободни електрони, които осигуряват електропроводимостта, докато в диелектриците огромното число електрони са свързани здраво с атомите и прилаганото външно електрично поле не ги откъсва от тях, а само ги „измества“, като деформира електронните им орбити. От гледна точка на квантовата теория на твърдото тяло разликата в електропроводимостта се определя от характера на разпределението на електроните по енергийни нива. Диелектриците приличат много на полупроводниците, но при тях широчината на забранената зона е по-голяма, което пък води до много по-малката им електропроводимост при едни и същи температури.

Към неполярните диелектрици –
газове и течности, се отнасят
водородът, азотът, хелият,
бензолът и сероводородът, а
към полярните – въглеродният
окис, парите на етиловия и
метиловия спирт, солната
киселина и др.

При изучаването на диелектриците важно значение има агрегатното състояние, в което се намират, както и строежът им. Открити са диелектрични вещества под формата на газ, пара или твърдо вещество. С вътрешната структура на диелектриците до голяма степен е свързано „поведението“ им при прилагане на външно електрично поле. Ако се разгледа молекулният им строеж, оказва се, че в по-голямата част от газовите, течните и в част от твърдите (молекулните кристали) диелектрици молекулите може да се разделят на два основни типа: неполярни, в които при отсъствие на електрично поле центровете на тежестта на разноименните товари съвпадат, и полярни (диполи), при които тези центрове не съвпадат. Под влияние на проникналото в диелектрика електрично поле разнополюсните товари се изместват един спрямо друг: положителните – по посока на полето, а отрицателните — срещу него. Това изместване може да стане както на микроскопично, така и на макроскопично разстояние (в пределите на диелектрика). Поведението на полярните молекули също зависи от приложеното електрично поле. Всички тези явления се наричат диелектрична поляризация. Тя може да възникне не само под въздействието на външно електрично поле и да изчезне при прекратяване на действието му, но и самопроизволно — последният тип се наблюдава само при някои видове диелектрици, например сегнетоелектриците.

Диелектричната поляризация се дели на две основни групи в зависимост от връзките между частиците и преместването им в диелектрика под влияние на електричното поле: еластична и релаксационна поляризация. Ако частиците са силно (еластично) свързани, поляризацията им е еластична (някои автори я наричат поляризация на преместване). Когато частиците са слабо свързани (имат няколко равновесни положения, в които могат да преминават от време на време под влиянието на различни въздействия), тяхната поляризация е релаксационна. В нея важно значение има топлинното движение на частиците. Времето за настъпването й е по-продължително в сравнение с еластичната поляризация.

Еластичната поляризация се
дели на: електронна, атомна,
йонна и ориентационна.
Релаксационната поляризация
може да бъде ориентационна също
и йонна електронна. В някои от
твърдите диелектрици се
наблюдава още един вид
релаксационна поляризация, която
се прилага само при прилагането
на силни електрични, полета —
високоволтова поляризация.

Диелектричната поляризация зависи и от характера на приложеното електрично поле – постоянно (по-горе разгледаните случаи) и променливо. Когато полето е променливо, важно значение придобива съотношението между времето, в продължение на което частиците в диелектрика се изместват или ориентират (τ) и периода на изменение на полето (T). Ако τ«T, поляризацията протича както в случай на постоянно поле. В противоположния краен случай (когато τ»T) почти няма поляризация, а когато τ≈T, наблюдава се частична поляризация. С променливото електрично поле са свързани и диелектричните загуби, които представляват, по-общо казано, преобразуването в топлина на част от енергията на това поле в процеса на преполяризацията.

Карнаубски восък се получава
от листата на бразилската
палма карнауба.

Според някои хипотези
хомозарядът е обемен и
повърхностен товар, инжектиран
в електрета, докато е в
електричното поле. Според
други причината за хомозаряда
е пробив на границата
диелектрик — електрод при
образуването на електрета.

Отделен, много интересен вид диелектрици са електретите, които имат електрични товари с противоположни знаци на повърхността си. За първи път изкуствено са получени през 1925 г. от японеца М. Егучи, който прави смес (топилка) от карнаубски восък, смола и пчелен восък и я оставя да се втвърди в присъствието на силно електрично поле. Приготвените по този начин образци съдържат повърхностни електрични товари с различна полярност. Тези първоначално получени товари се наричат хетерозаряди и обикновено се загубват след няколко дни. На тяхно място се появяват товари съответно с обратна полярност, наречени хомозаряди. Електретите, получени по начина на Егучи, се наричат термоелектрети. Трябва да се има предвид, че образуването на електретите се дължи на комплекс от явления — ето защо е възприето наименованието електретно състояние на диелектриците. Теорията за това състояние все още не е изяснила докрай някои моменти, свързани с появата на хетеро- и хомозарядите.

Георги Наджаков (1896—1981) е
български физик, академик.
Автор е на трудове в областта
на фотопроводимостта и външния
фотоелектричен ефект при
полупроводници и диелектрици.
Открива фотоволтаичния ефект
и перманентната електрична
поляризация в диелектрици,
която нарича фотоелектретно
състояние на веществото.

През 1937 г. българският физик Г. Наджаков подлага поликристална сяра на едновременно въздействие на електрично поле и светлина. Поляризацията, която възниква в нея, се нарича фотополяризация, а диелектриците, в които е възможно да се появи, днес се наричат фотоелектрети. През 1956 г. учените получават електрети само чрез въздействието на електрично поле, наречени по-късно електроелектрети. Днес вече са създадени и магнитоелектрети, механоелектрети, криоелектрети (първата част на тези съставни думи бележи въздействието, довело до появата на електретно състояние). Различните видове диелектрици днес намират широко приложение в електротехниката и радиотехниката, в изчислителната техника и в квантовата електроника. В нашата страна с тези проблеми се занимават учени и специалисти от Института по физи