 |
6.7. О диэлектриках.
|
|
|
|
Уф, надо дух перевести. Видите, в разговоре про электричество применительно к металлам без зарядовых разбалансов худо получается. Применительно к воде – то же самое. Может хотя бы у диэлектриков электрические свойства легко объясняются без учёта зарядовых разбалансов? Ну что вы!
Вот, например, важной характеристикой диэлектрического материала является его способность к ослаблению в своём объёме внешнего электрического «поля». Коэффициент этого ослабления называют диэлектрической проницаемостью. При внесении диэлектрической пластины между обкладками плоского конденсатора «поле» внутри пластины оказывается слабее «поля» в конденсаторе до внесения пластины.
Каким образом диэлектрик ослабляет внешнее «поле» в пределах своего объёма? Были бы в твёрдом диэлектрике свободные заряды, они разбежались бы к противоположным поверхностям пластины (положительные к одной, отрицательные к другой) и сбацали бы ослабляющее «поле». Увы, нет в диэлектрике свободных зарядов.
Но даже в такой аховой ситуации настоящие теоретики не растерялись. Прежде всего, они лихо обтяпали дельце с материалами, в молекулах которых эффективные центры положительных и отрицательных зарядов немного раздвинуты. С электрической точки зрения такая молекула выглядит палочкой о двух концах. На одном конце сидит некоторый положительный заряд, а на другом отрицательный. По-научному такая штука и называется «электрический диполь». Свободный диполь в электрическом «поле» ориентируется против вектора напряжённости, и между концами диполя результирующее «поле» оказывается слабее внешнего. Вот счастье-то привалило! Дальше, мол, всё проще простого: дипольные молекулы в диэлектрике разворачиваются против внешнего «поля» и, так сказать, ослабляют его!
|
|
|
Дяденьки, а вы, так сказать, чувствуете разницу между молекулами свободными и входящими в состав твёрдого тела? Может вы полагаете, что молекулы в твёрдом теле могут свободно крутиться-вертеться по двум углам, как пассатижи в полёте? И что в твёрдом теле, построенном из таких вертлявых молекул, нет никаких межмолекулярных связей? А какие же тогда нечистые силы поддерживают кристаллическую решётку? Или расчёт был на то, что для восприятия вашей теории надо в себе дурака включить? Да и потом, многие молекулы ведь не являются диполями. Как же ослабляют внешнее поле диэлектрики, состоящие из таких молекул?
Здесь теоретиков заклинило на том, что под действием внешнего «поля» обычные молекулы превращаются в диполи, т. е. их эффективные противоположные заряды разъезжаются, как копыта у коровы на льду. Вот вам, мол, и дипольчики, вот вам, мол, и ослабление внешнего «поля»!
Да, душевно получается. Только вы, любезные, прикиньте по вашим же замечательным формулам, насколько должны разъезжаться заряды в молекулах, чтобы обеспечивать наблюдаемые ослабления «поля». Особенно в случае сегнетоэлектриков, у которых диэлектрическая проницаемость составляет десятки тысяч и более. У вас должны получиться чудовищные разъезжания зарядов, превышающие межмолекулярные расстояния; и это при напряжённостях «поля», ещё далёких от пробивных. Такого надругательства кристаллическая решётка не перенесла бы, рассыпалась бы в прах. Однако, не рассыпается. Чихала она на ваши баечки про то, как «поле» в диэлектрике гасят молекулы, превратившиеся в дипольчики!
Кстати, согласно этим баечкам молекулы превращаются в дипольчики во всём объёме диэлектрика, чтобы гасить «поле» мощью всего дружного коллектива. Да, навалиться всем скопом, оно конечно легче. Но есть одна закавыка: всем скопом здесь наваливаться бесполезно. «Поле» между пластинами плоского конденсатора создаётся макроскопическим разделением противоположных зарядов. И ослаблено оно может быть лишь макроскопическим же разделением зарядов, например, противоположными зарядами, индуцированными на той и другой поверхностях диэлектрической пластины. Диполи внутри пластины могут быть ориентированы хоть прямо, хоть вкривь и вкось. Это всё равно не даст ослабления внешнего «поля», поскольку средняя объёмная плотность заряда в толще пластины будет по-любому равна нулю.
|
|
|
В деле ослабления внешнего «поля» придётся отдуваться только поверхностным зарядам на противоположных сторонах пластины. Для молекулярных диполей создать такие заряды слабо. А для зарядовых разбалансов – милое дело!
И это была лишь первая часть учения о диэлектриках; о том, как они внешнее «поле» ослабляют. Это называется так себе, «область слабых полей». А ещё есть «область сильных полей». Там всё гораздо серьёзнее. Там теоретики толкуют о феномене электрического пробоя. Знаете, как пробивает твёрдый диэлектрик? Пу-пумс! – и насквозь. Само собой, без теории твёрдого тела физики блуждали бы в потёмках, наивно полагая, что свободных электронов в диэлектриках нет.
А что говорит нам теория твёрдого тела? Она говорит, что твёрдый диэлектрик кишит свободными электронами, как и металл, и, как у металла, кристаллическая решётка твёрдого диэлектрика держится на электронном газе. Теории твёрдого тела по фиг, твёрдый тебе металл или твёрдый тебе диэлектрик. Вы, белочки и зайчики, спрашиваете, почему тогда диэлектрики проводят постоянный электрический ток не так хорошо, как металлы?
Ну, это не для средних умов. В диэлектриках, как учит нас зонная теория, для каждого свободного электрончика, какой бы вектор импульса он ни имел, непременно есть другой свободный электрончик с точно противоположным импульсом. Ну, чисто куперовские пары, да ещё при комнатной температуре (за это тоже можно было дать Нобелевскую премию, но её дважды за одно и то же не дают). Так вот, в диэлектрике, значит, туча свободных электронов, которые мечутся как угорелые, но их суммарный импульс всегда равен нулю, а значит переноса электричества принципиально нет. Вы можете делать с диэлектриком, что хотите: бить по нему молотком, гнуть, пилить на части, нагревать или охлаждать, подавать на него «слабое» электрическое напряжение – суммарный импульс электронов останется нулевым.
|
|
|
Что, непонятно, как такое может быть? Да физики сами этого не понимают. Чтобы было на кого спихнуть ответственность за эти чудеса, они специально распустили слух про чудище Ферми-Дирака (мы о нём уже говорили в «Фокусах-покусах квантовой теории»). Это оно, чудище Ферми-Дирака, обеспечивает нулевой суммарный импульс свободных электронов в диэлектрике. Больше некому. Ага! Тогда теория электрического пробоя должна быть очень проста. При подаче пробивного напряжения чудище Ферми-Дирака перестаёт справляться со своими обязанностями и всё! Может пробивное напряжение его парализует. А может от пробивного напряжения это чудище вообще копыта откидывает. Тут такой простор для полёта теоретической мысли! Но нет, чего-то эти перспективы не заинтересовали теоретиков. Они наплодили кучу теорий электрического пробоя, но ни одна из них не исходит из неприятностей у чудища Ферми-Дирака. Такое впечатление, что теоретики сговорились и дурака валяют, всяк на свой лад.
Вот, например, что придумали: что канал проводимости в диэлектрике образуется в результате ионизации электронным ударом. Из той кучи теорий эта особенно недурна; есть в ней для сердца физика что-то такое… к поцелуям зовущее. Конечно, есть у неё и недостаточки, но они тоже премиленькие. Вот, например: атомы в твёрдом теле упакованы плотно и электрон на отрезке всего лишь в междуатомный промежуток должен был бы набирать энергию, достаточную для ионизации атома. Но для этого требуются напряжённости, которые превышают экспериментальные пробивные значения на пару порядков. Чтобы теория пробоя через ионизацию электронным ударом была в согласии с опытом, длина свободного пробега медленного электрона в твёрдом диэлектрике должна составлять несколько сотен Ангстрем, а это невозможно при плотно упакованных атомах.
|
|
|
Что, затрудненьице? Та оно-ж легко преодолимо! Теоретики привели под ручки квантовую механику. Разберись, мол, всеядная ты наша. И на всякий случай отошли подальше. Тут же раздались хруст и довольное чавканье, а на выходе получилось то, чему и полагается в таких случаях. Мол, медленный электрон да, не может пройти сквозь отдельный атом, но когда этих атомов много, электрон нутром чует их всех сразу, и сквозь все сразу и прёт. Проперев таким макаром положенные сотни Ангстрем и набрав энергию, достаточную для ионизации атома, электрон теряет дар чутья всех атомов сразу, потому что от души вмазывается только в один из них, отчего тот ионизируется. Смотрите-ка, стало уже два свободных электрона! Они смогут ионизовать ещё два атома, и так далее. Возникнет электронная лавина, забодай её коза! Это же и получится электрический пробой!
Только, тю ты, опять неувязочка из кармана вылазит. Первичный-то электрон может инициировать лавину, начиная с любого места в толще образца. Но никто никогда не наблюдал такого канала пробоя в твёрдом диэлектрике, который начинался бы где-то из середины образца. Этот канал всегда начинается на его поверхности! Мистика какая-то… Да и вообще, теория пробоя через ударную ионизацию, когда затравочных свободных электронов можно пересчитать по пальцам одной руки, насмерть обижает зонную теорию, по которой даже непробитый диэлектрик кишит свободными электронами.
Где же уважение к достижениям предшественников? Или, пардон, зонная теория – это и не достижение вовсе? А чего ж её до сих пор в вузах преподают? Без неё студентам скучно, что ли?
Эх, дорогой читатель! Давайте снова вспомним про концепцию зарядовых разбалансов. Вы спросите, как она поможет объяснить электрический пробой твёрдого диэлектрика? Отвечаем: легко! И к тому же без мистики!
Выше мы говорили, что в твёрдом теле из-за плотной упаковки атомов невозможно направленное движение электронов, которые оставались бы свободными. Даже в металлах продвижение электронов к аноду происходит в режиме «ротации кадров» между свободными и связанными электронами. Чтобы диэлектрик стал проводником, в нём тоже следует создать возможность для такой «ротации кадров». Потому что в диэлектрике этой возможности нет. Например, кристалл со стационарными химическими связями, где совсем нет свободных валентностей – хороший диэлектрик. Есть и другие диэлектрики, например, оксиды металлов. Не странно ли это? Ведь в их состав входят атомы металла, которые испытывают валентные переключения! Нет, не странно: при хорошей упорядоченности этих переключений ни одна валентность не остаётся свободной так долго, чтобы стать ловушкой для постороннего электрона, так что режим «ротации кадров» здесь тоже исключён.
|
|
|
Вывод: для электронной проводимости требуются долгоживущие (по атомным меркам) свободные валентности. А для этого надо делать с диэлектриком что? Правильно, рвать в нём химические связи! И зарядовые разбалансы при пробивном напряжении с этой задачей отлично справляются. Напоминаем, внешнее электрическое «поле» в диэлектрике ослабляется из-за того, что разноимённые зарядовые разбалансы индуцируются на его противоположных поверхностях – в нескольких атомных слоях. При этом в самом внешнем атомном слое индуцируются самые сильные зарядовые разбалансы, в следующем под ним слое – зарядовые разбалансы немного послабее и т. д. Это называется «градиенты зарядовых разбалансов». Чем сильнее внешнее «поле», тем сильнее индуцированные зарядовые разбалансы, и тем сильнее их градиенты.
В этом и секрет фокуса. Дело в том, что химическая связь стабилизируется циклическими перебросами кванта тепловой энергии из одного из связанных атомов в другой и обратно. А зарядовые разбалансы тоже имеют энергию. И если в условиях градиента зарядовых разбалансов разность соответствующих энергий у связанных атомов становится такой же, как энергия теплового кванта, химическая связь оказывается нестабильна.
Всё! В этом и смысл пробивного напряжения.
Формула для него, полученная на основе этой модели, неплохо работает. Заметьте, химические связи начинают рваться там, где градиенты зарядовых разбалансов самые сильные, т. е. на поверхности. Вот почему канал электрического пробоя всегда начинается с поверхности.
Можно спросить, как же этот канал развивается в толще диэлектрика, ведь там зарядовых разбалансов нет? Смотрите: игольчатая оконечность растущего канала проводимости является источником «сильно неоднородного поля» и сама способна разрывать химические связи. Всё честно!
На основе этой модели предложена технология создания мультислойного металл-диэлектрического супер-изолятора, который при толщине в 100 микрон держал бы постоянное напряжение, которое держат лучшие твёрдые диэлектрики, имея толщину в сантиметры! Да уж, постоянное напряжение! Говоря про электрический пробой твёрдых диэлектриков, мы имели в виду именно постоянное пробивное напряжение. В случае же переменного напряжения, диэлектрики и пробивать-то не надо. Они прекрасно проводят переменный электрический ток с помощью волн зарядовых разбалансов. Более того, они его проводят прекраснее, чем металлы, ведь здесь не путаются под ногами свободные электроны и нет потерь на джоулево тепло. Используя источник достаточно высокочастотного и достаточно высоковольтного напряжения, можно передавать «электрическую энергию» по чисто диэлектрическому проводу. Кто не верит, проверьте!
|
|
|
