3.1.8. Проводники, диэлектрики и полупроводники

В зависимости от концентрации свободных носителей зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники — тела, в которых носители электрических зарядов могут направленно перемещаться под воздействием даже исчезающего малого электрического поля.

Проводники делятся на две группы:

1. Проводники первого рода (металлы) — перенос носителей зарядов в них не сопровождается химическими превращениями;

2. Проводники второго рода (расплавленные соли, растворы кислот) — перенос носителей зарядов (положительных и отрицательных ионов) в них ведет к химическим изменениям.

Диэлектрики (стекло, пластмассы и др.) — тела, в которых практически отсутствуют свободные носители зарядов и они не перемещаются даже при больших электрических полях.

Полупроводники (германий, кремний и т.д.) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по проводимости. Их природа может быть объяснена на основе зонной теории.

Деление тел на полупроводники и диэлектрики

является условным. Полупроводники при низких температурах ничем не отличаются от диэлектриков.

Свободные заряды – могут передаваться от одного тела к другому при их соприкосновении.

Связанные или поляризационные заряды, появляются в результате поляризации диэлектрика.

Диэлектрик (как и всякое вещество) состоит из атомов и молекул. Положительный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду электронов, и молекула в целом электрически нейтральна. Но из-за нессимметрии расположения ядер и электронов, молекулу можно рассматривать как электрический диполь с электрическим моментом: Р = q l

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле его положительные заряды смещаются по полю отрицательные против поля, молекулы «деформируются».

p_v= р_i,

где р_i — дипольный момент одной молекулы.

Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.

Диэлектрики делятся на:

- Вещества (N₂, H₂, О₂, СО₂, СН₄ и др.) молекулы которых имеют симметричное строение, т. е. центры “тяжести” положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент молекулы р = 0. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными.

Под действием внешнего электрического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля) и молекула приобретает дипольный момент.

- Вещества (Н₂О, NНз, SO₂, CO и др.), молекулы которых имеют асимметричное строение, т. е. центры “тяжести” положительных и отрицательных зарядов уже изначально смещены. Эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом и называются полярными. Диэлектрики, состоящие из таких молекул, также называются полярными.

При отсутствии внешнего поля, дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения орасположены в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле, то силы этого поля будут стремиться соорентировать диполи вдоль поля (тепловое движение препятствует полной ориентации молекул) и возникает результирующий момент. Ориентационная, или дипольная, поляризация диэлектрика, заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул преимущественно по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура.

- Вещества (NaCl, KCl, КВг и др.), молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков.

Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению результирующего электрического момента диэлектрика, или, к поляризации диэлектрика.

Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной — поляризованностью, определяемой как дипольный момент единицы объема диэлектрика: Р = р_v/V.

Из опыта следует, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков) поляризованность Р линейно зависит от напряженности поля Е. Если диэлектрик изотропный и Е не слишком велико, то Р=βε₀Е, где β — диэлектрическая восприимчивость вещества, характеризующая свойства диэлектрика; величина безразмерная; всегда β>0 и для большинства диэлектриков (твердых и жидких) составляет несколько единиц.

Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электрическое поле Е_о (создается двумя бесконечными параллельными разноименно заряженными плоскостями) пластинку из однородного диэлектрика. Под действием поля диэлектрик поляризуется, т. е. происходит смещение зарядов: положительные смещаются по полю, отрицательные против поля. В результате этого, на правой грани диэлектрика, обращенного к отрицательной плоскости, будет избыток положительного заряда с поверхностной плотностью +s`. На левой — отрицательного заряда с поверхностной плотностью - s` (поверхностная плотность заряда dq/dS, заряд приходящийся на единицу поверхности).

Появление связанных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля Е' (поля, создаваемого связанными зарядами), которое направлено против внешнего поля Е_о (поля, создаваемого свободными зарядами) и ослабляет его.

Следовательно, поляризация диэлектрика вызывает уменьшение в нем поля по сравнению с первоначальным внешним полем. Вне диэлектрика Е=Е_о.

Результирующее поле внутри диэлектрика: Е=Е_о-Е'.

По теореме Гаусса

E'dS=q'/e_о q'=s'S.

Поле Е'=s' /e_о, поэтому E=E₀-s' / e_о = E₀ -Р / e_о

Определим поверхностную плотность связанных зарядов s`. Полный дипольный момент пластинки диэлектрика p_v=PV=PSd, где S—площадь грани пластинки, d — ее толщина. С другой стороны, полный дипольный момент равен произведению связанного заряда каждой грани q'=s'S на расстояние d между ними, т. е. р_v= s'Sd.

Таким образом, PSd= s'Sd, или s' =P т. е. поверхностная плотность связанных зарядов s' равна поляризованности Р. Это верно только для прямоугольных диэлектриков ориентированных по полю. В иных случаях поверхностная плотность заряда зависит от формы диэлектрика и возникает деполяризационный момент. E = E_o - βE

Напряженность результирующего поля внутри диэлектрика: Е=Е_о/(1+ β)=Е_о/e. Безразмерная величина e=1+ β называется диэлектрической проницаемостью среды. Она показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, и характеризует количественно свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.