velikol.ru
1

СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Доктор физико-математических наук Г. И. СКАНАВИ

Физика диэлектриков в Советском Союзе начала развиваться в кон­це 20-х годов в связи с исследованиями электропроводности и пробоя твердых диэлектриков, выполнявшимися группой ленинградских физи­ков во главе с А. Ф. Иоффе.

В настоящее время физика диэлектриков изучает процессы, проис­ходящие в твердых, жидких и газообразных телах с малой электропро­водностью при воздействии электрического поля. Физика диэлектриков, естественно, не является областью электроматериаловедения, хотя при изучении свойств изоляционных материалов, и особенно при разработ­ке новых материалов, необходимо использовать сведения из физики ди­электриков и ее достижения. В то же время большое разнообразие яв­лений, которые возникают в различных веществах, находящихся в силь­ных и слабых, постоянных и переменных электрических полях, приводит к тому, что физика диэлектриков тесно соприкасается с многими други­ми отраслями физики (физика полупроводников, твердого тела, жидко­го состояния, газового разряда, теоретическая физика, молекулярная оп­тика, рентгеноструктурный анализ, радиоспектроскопия, физическая хи­мия и пр.). Однако в каждом конкретном случае легко выделить вполне определенное «физико-диэлектрическое» направление исследований. Дей­ствительно, в слабых переменных полях любое вещество ведет себя как диэлектрик, если ток проводимости мал по сравнению с током смещения. Поэтому в принципе всегда имеется такая область частот переменных полей, в которой любой полупроводник в полной мере проявляет свои диэлектрические свойства.

В слабых постоянных полях значительно труднее провести четкую грань между диэлектриком и полупроводником; в этом случае критерием является лишь величина электропроводности и отчасти природа носите­лей тока. Вместе с тем следует подчеркнуть, что величина электропро­водности тела, если оно помещено в электростатическое поле, влияет в первую очередь на время установления равновесия электрических за­рядов. При очень малой электропроводности время может исчисляться годами; в сущности, только это позволяет говорить о переходе количе­ственного различия в качественное и разделять вещества на полупровод­ники и диэлектрики. В области сильных постоянных и импульсных полей явления усложняются, возникают разнообразные процессы, приводящие к нарушению так называемой электрической прочности диэлектрика или полупроводника. Здесь мы имеем дело также с большим количествен­ным различием в величине электрической прочности. Однако, как пока­зывают работы самого последнего времени, в процессах нарушения элек­трической прочности полупроводника и диэлектрика при чисто электри­ческом пробое, когда исключены нагрев и химические изменения веше-

16

^ Г. И. СКАНАВИ

ства, обнаруживаются и качественные различия. Например, ударная ио­низация электронами в газе и в некоторых твердых полупроводниках развивается в известной мере аналогично, а в твердом диэлектрике этот процесс имеет особый скачкообразный характер и всегда связан с остаточным разрушением материала. Из изложенного, кстати, следу­ет, что прогресс физики полупроводников в настоящее время фактиче­ски невозможен без параллельного развития физики диэлектриков.

Явления в жидких диэлектриках в постоянных и переменных элек­трических полях имеют своеобразный характер, однако исследования по­следнего десятилетия показывают, что в процессах диэлектрической по­ляризации жидкостей и кристаллов гораздо больше общего, чем пред­полагалось ранее. Например, рядом исследователей установлено, что не только в дипольных, но и в ионных кристаллах с дефектной структурой имеет место релаксационная поляризация, аналогичная по общим зако­номерностям поляризации полярных жидкостей. Создавая условия, при которых релаксационная поляризация в ионных кристаллах сильно вы­ражена,.можно получать кристаллы с очень высокой диэлектрической проницаемостью.

Физика газового разряда уже давно развивается главным образом в направлении изучения газового разряда при низких давлениях и явлений в плазме. Однако если газ находится в условиях нормального или по­вышенного давления, то в электрическом поле он проявляет себя как диэлектрик. Поэтому физика диэлектриков изучает процессы электро­проводности, поляризации, диэлектрических потерь и пробоя в газах, в первую очередь при нормальном и повышенном давлении.

Таким образом, в веществах весьма широкого класса при воздействии электрического поля возникают процессы и явления, объединенные об­щими, более или менее близкими закономерностями, которые и являются предметом изучения физики диэлектриков.

При таком подходе не возникает, естественно, вопрос, следует ли включать в физику диэлектриков изучение механических, термических и других разнообразных свойств электроизоляционных материалов, их гигроскопичность, химическую стойкость и пр. Это — область электро­материаловедения. В физико-диэлектрических исследованиях такие свойства должны лишь учитываться при постановке того или иного конкретного опыта. Физика диэлектриков в данном смысле отличается от физики металлов, в которую, как известно, включается изучение всех основных свойств металлического состояния. Это и понятно, поскольку объектом изучения физики металлов является сравнительно узкий круг веществ, объединенных общностью строения.

Практическое значение физики диэлектриков для техники не менее велико, чем значение физики полупроводников. Существенно отметить, что работы последних лет открывают все новые и новые области приме­нения диэлектриков и происходящих в них явлений. В технике сверх­высоких частот диэлектрик играет роль среды, в которой распространя­ются и поглощаются электромагнитные волны. Для получения радио-

активных источников тока можно пользоваться диэлектриком как средой,

в которой движутся электроны β-распада. При охлаждении многих диэлектриков в постоянном электрическом поле получаются так назы­ваемые термоэлектреты, имеющие постоянный электрический заряд и служащие источником постоянного электростатического поля. Такие электреты могут использоваться для создания микрофонов и телефонов без источников питания, для получения генераторов слабых переменных токов, электростатических измерительных приборов и пр. При облучении кристаллов некоторых веществ (сера и др.) в постоянном поле образу-

^ РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ДИЭЛЕКТРИКОВ 1?

ются так называемые фотоэлектреты, тоже имеющие постоянный заряд, которые используются для создания позитивных «электрофотографиче­ских» изображений. Электрет может служить и дозиметром разного рода излучений.

Весьма интересные применения могут получить некоторые диэлектри­ческие жидкости, обладающие электронной фотопроводимостью.

В самое последнее время разрабатываются конструкции и опытные образцы маломощных диэлектрических двигателей, вращающий момент в которых обусловлен возникновением релаксационной поляризации диэлектрического ротора в достаточно сильном электрическом поле. Все большее применение получают сегнетоэлектрики в качестве нелиней­ных элементов электрической цепи, которые могут быть использованы для генерации и усиления колебаний, стабилизации напряжения и пр., ,в качестве элементов «памяти» для счетно-решающих устройств, в каче­стве пьезоэлементов. Недавно установлено, что некоторые электреты обла­дают также пьезоэлектрическим эффектом и являются по существу искусственными пьезоэлементами.

Одним из примеров использования комбинации диэлектрика и полу­проводника в электрическом поле фактически являетфт электролюмине­сценция, приобретающая все большее практическое значение.

Сейчас мы находимся на пути к значительному качественному рас­ширению области применения диэлектриков и диэлектрических явлений. Можно смело утверждать, что при надлежащем развитии физики ди­электриков и связанных с ней отраслей техники электроизоляционная техника и конденсаторостроение в скором времени станут далеко не единственными и не самыми массовыми «потребителями» диэлектриков. Какие же основные направления в области физики диэлектриков имеют перспективы развития в ближайшие годы?

Это, прежде всего, вопросы диэлектрической поляризации, диэлек­трической проницаемости и потерь твердых диэлектриков.

В настоящее время экспериментальное изучение и теория поляризации жидких диэлектриков продвинуты довольно далеко, в основном трудами зарубежных физиков и физико-химиков. Экспериментальное и теорети­ческое изучение поляризации и потерь кристаллов, поликристаллов и стекол, проводившееся главным образом в СССР, дало ценные результа­ты, в первую очередь в том отношении, что открыло пути получения диэлектриков с весьма высокой диэлектрической проницаемостью и про­чими интересными свойствами. Однако физика диэлектрических явлений в кристаллах требует значительного развития, более всего в направле­нии изучения поведения диэлектрических (и полупроводниковых) кри­сталлов в области миллиметровых волн и в инфракрасной области спектра. Основной вопрос, который остается пока открытым,— природа релаксационной поляризации различных кристаллов и эксперименталь­ное определение вида «носителей» этой поляризации. К данному разделу относится также изучение процесса образования термо- и фотоэлектре-- тов, их свойств и областей возможных применений. Для решения этих и других вопросов следует привлечь новые экспериментальные методы (воздействие облучений разного рода, парамагнитный резонанс и пр.). Явления электропроводности кристаллов в сильных полях и процессы нарушения электрической прочности исследуются давно, однако в по­следние годы эти работы приобрели важное значение в связи с изучени­ем ряда вопросов электролюминесценции и различных процессов в полу­проводниках. Так, теперь экспериментально показано, что в диэлектри­ческих кристаллах импульсные токи в предпробивных полях могут достигать очень больших значений вследствие холодной эмиссии элек-

2 Вестник АН СССР, № 3

18

^ Г. И. СКАНАВИ'

тронов из катода в кристалл. При постоянных напряжениях эти электро­ны застревают в ловушках, образуют объемный заряд, экранирующий поле у катода, и в результате ток проводимости имеет очень малое-значение.

Эти работы требуют интенсивного развития, так как необходимо выяснить, в каких случаях возникает ударная ионизация, всегда ли она приводит к пробою, какова роль красящих центров и т. д. Указанные-явления тесно связаны с электролюминесценцией и процессами в полу­проводниках.

В сравнительно небольшом объеме ведутся в СССР исследования электронных процессов и нарушения электрической прочности в чистых диэлектрических жидкостях. Необходимо значительно расширить из­учение диэлектрических свойств жидкостей и разнообразных процессов,, происходящих в полярных и неполярных жидкостях при воздействии сильных постоянных электрических полей, электромагнитных полей вы­сокой частоты и пр. Особенно пристального внимания заслуживают электронные процессы в жидкостях.

За последнее время повысился интерес к исследованию влияния корпускулярных и электромагнитных жестких излучений на свойства диэлектриков. Эти работы имеют практический интерес и весьма суще­ственны в научном отношении. Создание различных дефектов в кристал­лической структуре приводит к резкому изменению диэлектрических свойств кристаллов. Поэтому при помощи облучений можно сильно из­менять диэлектрические свойства вещества, стимулировать в нем те или иные процессы.

Все большее значение для народного хозяйства приобретают разно­образные полимеры. Изучение диэлектрических свойств полимеров в-связи с их строением и составом очень важно, так как можно с уверен­ностью утверждать, что в недалеком будущем преобладающая часть-электроизоляционных материалов будет изготовляться на основе поли­меров. Уже сейчас лучшими по диэлектрическим свойствам изоляторами' являются некоторые виды полимеров. С другой стороны, изучение ди­электрических свойств полимеров, как показывают многие работы, в том» числе проводимые в СССР, дает ценные сведения о строении полимеров.

Исследования по некоторым из указанных направлений ведутся в лаборатории физики диэлектриков Физического института им. П. Н. Ле­бедева Академии наук СССР. Изучаются диэлектрическая поляризация ионных кристаллов и дефекты структуры, релаксационная поляризация и кристаллы с весьма высокой диэлектрической проницаемостью, термо­электреты, электронные процессы в ионных кристаллах в сильных электрических полях.

В Институте высокомолекулярных соединений Академии наук СССР-исследуются диэлектрические свойства полимеров, в Физическом инсти­туте им. П. Н. Лебедева и в Институте полупроводников Академии наук СССР изучаются еегнетозлектрики. Кроме того, во многих городах Советского Союза ведутся работы по физике диэлектриков. Явно назрела необходимость создать при Бюро Отделения физико-математи­ческих наук Академии наук СССР научный совет по физике диэлектри­ков для координации всех этих работ, планирования развития отдель­ных направлений и пр.