Пробой. Электрический ток в Д. пропорционален напряжённости электрического поля Е (Ома закон). Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом поле Епр наступает электрический пробой Д. Величина Епр называется электрической прочностью Д. (таблица 2). При пробое однородное то'ковое состояние становится неустойчивым и почти весь ток начинает течь по узкому каналу. Плотность тока j в этом канале достигает очень больших значений, что приводит к необратимым изменениям в Д.
Табл. 2. — Удельное сопротивление r и электрическая прочность Епр некоторых твёрдых диэлектриков, используемых в качестве изоляционных материалов
Диэлектрический материал r,
ом·
см Епр,
в/см Кварцевое стекло 1016-1018 2—3·105 Полиэтилен 1015-1016 4·105 Слюда 1014-1016 1—2·106 Электрофарфор 1013-1014 3·105 Мрамор 108-109 2—3·105
На рис. 6 приведена зависимость плотности тока j от напряжённости электрического поля Е, рассчитанная в предположении, что ток однороден по сечению образца. Эта зависимость может быть описана соотношением:
где удельное сопротивление r не постоянная величина, как в законе Ома, а зависит от j. Дифференцируя это соотношение, получим выражение:
из которого видно, что, если величина
отрицательна, то с ростом j величина
может стать отрицательной (дифференциальное отрицательное сопротивление). Состояние с отрицательным дифференциальным сопротивлением является неустойчивым и приводит к образованию канала тока при Е = Епр.
В твёрдых Д. различают тепловой и электрический пробой. При тепловом пробое с ростом j растёт джоулево тепло и, следовательно, температура Д., что приводит к увеличению числа носителей тока n. В результате r падает. При электрическом пробое с ростом j также возрастает число носителей n, а r c увеличением n падает.
В реальных Д. большую роль при пробое играют всегда присутствующие неоднородности. Они способствуют пробою, т.к. в местах неоднородности Е может локально возрасти. Необратимые изменения в Д., связанные с образованием токового канала при пробое, могут быть разного характера. Например, в Д. образуется сквозное отверстие или Д. проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции, например в органических Д. осаждается углерод, в ионных Д. выпадает металл (металлизация канала).
Электрическая прочность жидких Д. в сильной степени зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно понижает Епр. Для чистых, однородных жидких Д. Епр близка к Епр твёрдых Д.
Пробой в газах связан с механизмом ударной ионизации и проявляется в виде электрического разряда в газах.
Нелинейные свойства Д. Поляризация Д., как указывалось выше, пропорциональна напряжённости электрического поля. Однако такая линейная зависимость справедлива только для электрических полей, значительно меньших внутрикристаллических полей Екр ~ 108 в/см (см. Кристаллическое поле). Т. к. обычно Епр « Екр, то в большинстве Д. не удаётся наблюдать нелинейную зависимость P (Е) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, где в определённом интервале температур (в сегнетоэлектрической области и вблизи точек фазовых переходов) наблюдается сильная нелинейная зависимость P (Е).
При высоких частотах электрическая прочность Д. повышается, поэтому нелинейные свойства любых Д. проявляются в высокочастотных полях больших амплитуд. В луче лазера могут быть созданы электрические поля напряжённости 108 в/см. В таких полях становятся очень существенными нелинейные свойства Д., что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и др. нелинейные эффекты (см. Нелинейная оптика).
Д. в науке и технике используются прежде всего как электроизоляционные материалы. Для этого необходимы Д. с большим удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью и малым углом диэлектрических потерь. Д. с высоким значением e используются как конденсаторные материалы. Ёмкость конденсатора, заполненного Д., возрастает в e раз. Пьезоэлектрики широко применяются для преобразований звуковых колебаний в электрические и наоборот (приёмники и излучатели ультразвука, звукосниматели и др., см. Пьезоэлектрический датчик). Пироэлектрики служат для индикации и измерения интенсивности инфракрасного излучения. Сегнетоэлектрики применяют в радиотехнике для создания нелинейных элементов, входящих в состав различных схем (усилители, стабилизаторы частоты и преобразователи электрических сигналов, схемы регулирования и др.).
Д. используются и в оптике. Чистые Д. прозрачны в оптическом диапазоне. Вводя в Д. примеси, можно окрасить его, сделав непрозрачным для определённой области спектра (фильтры). Диэлектрические кристаллы используются в квантовой электронике (в квантовых генераторах света — лазерах и квантовых усилителях СВЧ). Ведутся работы по использованию Д. в вычислительной технике и т. п.
Лит.: Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, [в. 5] — Электричество и магнетизм, пер. с англ., М., 1966; Калашников С. Г., Электричество, 2 изд., М., 1964; Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960; Сканави Г. И., Физика диэлектриков (Область слабых полей), М. — Л., 1949; его же, Физика диэлектриков (Область сильных полей), М. —Л., 1958; Фрёлих Г., Теория диэлектриков, М., 1960; Хиппель А. Р., Диэлектрики и волны, пер. с англ., М., 1960; Желудев И. С., Физика кристаллических диэлектриков, М., 1968.
А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.
Рис. 6. Зависимость плотности тока j от напряжения электрического поля Е в диэлектрике; пунктир соответствует неустойчивым состояниям.
Рис. 5. Зависимость e1 твёрдого диэлектрика от частоты w поля Е.
Рис. 3 а, б. Две характерные зависимости поляризации диэлектрика Р от времени t. Постоянное электрическое поле Е включается в момент времени t = 0.
Рис. 1. Уровни энергии электронов твёрдого тела группируются в разрешённые зоны (валентная зона и зона проводимости), разделённые запрещёнными зонами.
Рис. 2. Поляризация диэлектриков в поле Е: а — ионная и электронная поляризации ионных кристаллов; б — электронная поляризация ковалентных кристаллов; в — ориентационная поляризация полярных диэлектриков.
Рис. 4. а — релаксационный характер дисперсии диэлектрической проницаемости e(w), соответствующий зависимости P(t), изображенной на рис. 3, а; б — резонансный характер дисперсии диэлектрической проницаемости e(w), соответствующий зависимости, изображенной на рис. 3, б.
Диэлектри'ческая анте'нна, антенна в виде отрезка диэлектрического стержня, возбуждённого радиоволноводом или штырём коаксиального кабеля. В стержне Д. а. (рис.) возбуждается волна особой структуры (так называемая поверхностная волна), распространяющаяся вдоль его оси, и, как следствие, на поверхности стержня возникают тангенциальные (касательные к поверхности) составляющие электрического и магнитного полей, фаза которых меняется по закону бегущей волны. По существу Д. а. представляет собой бегущей волны антенну, состоящую из элементарных электрических и магнитных вибраторов. Её максимум излучения, как и всякой антенны бегущей волны, совпадает с осью стержня. Характер излучения Д. а. зависит от фазовой скорости распространения поверхностной волны. С увеличением диаметра стержня и диэлектрической проницаемости материала, из которого он выполнен, фазовая скорость уменьшается. Чем меньше фазовая скорость, тем больше длина стержня, при которой коэффициент направленного действия (КНД) антенны максимален (так называемая оптимальная длина), и больше максимально возможный КНД. По мере уменьшения фазовой скорости или приближения её к скорости света в окружающей среде (воздухе) диэлектрический стержень теряет волноводные свойства. Это приводит к резкому спаданию поля к концу стержня, увеличению излучения в окружающую Д. а. среду непосредственно из открытого конца радиоволновода и уменьшению эффективности Д. а. Диаметр и материал стержня обычно выбирают так, чтобы фазовая скорость была не очень близкой к скорости света (не более 0,95—0,96 скорости света). При такой фазовой скорости оптимальная длина равна 12 длинам излучаемой волны и КНД равен ~ 100. Стержень Д. а. изготовляют из диэлектрических материалов с малым затуханием электромагнитных волн в них — полистирол, фторопласт и др. Д. а. применяют преимущественно на летательных аппаратах в радиоустройствах, работающих на сантиметровых и дециметровых волнах.
