Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Физика диэлектриков: Методическое пособие

Голосов: 3

В данной работе подробно изучается сущность диэлектриков, особенности их строения, а также замечательные электрические свойства, находящие свое применение во многих областях современной науки и техники. Подробно рассматриваются процессы, проходящие в диэлектриках при внесении их во внешнее электрическое поле, и величины характеризующие вещество диэлектрика с точки зрения влияния его на распределение поля в пространстве. Изучаются различные виды поляризации веществ, определяется, в каких случаях имеет место та или иная поляризация. Рассматриваются различные методы измерения диэлектрической проницаемости веществ. Изучается строение слюды, особенности в расположении атомов, оказывающие влияние на механические и электрические свойства образцов.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                сил – силы притяжения между разноимённо заряженными ионами и силы
            отталкивания электронных оболочек. Каждый данный ион взаимодейству-
            ет не с одним ионом, как в гетерополярной молекуле, а со всеми ионами,
            его окружающими.
                  Покажем, как может быть произведён расчёт сил взаимодействия для
            простейшего случая кубической решётки, построенной из одновалентных
            ионов, например, решётки NaCl , элементами структуры которой являются
            одновалентный положительный ион натрия и одновалентный отрицатель-
            ный ион хлора. Энергия закрепления данного иона, например, иона Na + ,
            может быть определена как сумма двух частей: во-первых, взаимной по-
            тенциальной энергии U 1 этого иона и всех его окружающих в предположе-
            нии, что каждый ион может рассматриваться как точечный заряд, распо-
            ложенный в соответствующем узле решётки; во-вторых, взаимной потен-
            циальной энергией U 2 , обусловливаемой взаимодействием электронных
            оболочек данного иона и его ближайших соседей. Найдём в отдельности
            каждую из этих двух слагаемых.
                                                         Ближайшими соседями дан-
                                                   ного иона, например иона А
                                                   (рис.13), в кубической решетке яв-
                                                   ляются шесть ионов противо-
                                                   положного знака, расположенные
                                                   от него на расстоянии r , равном
                                                   длине ребра элементарного куба;
                                                   эти ионы обозначены на рис.14
                                                   цифрой 1. Взаимная потен-
                                                   циальная энергия иона А и его
                                                   ближайших шести соседей будет
                                                   равна
                                                                              6q 2
              Рис.14 Кристаллическая решётка                       U 1I = −        ,
                                                                               r
              NaCl .                                    где q – заряд ионов, равный
                                                   в рассматриваемом нами случае
            одному элементарному заряду. Следующими, более удалёнными соседями
            иона А явятся 12 ионов того же знака, расположенные на расстоянии, рав-
            ном длине диагонали грани, т.е. 2r . Соответствующая слагающая взаим-
            ной потенциальной энергии будет равна
                             12q 2       6 2q 2
                   U 1II =           =          .
                               2r          r
                 Следующими соседями являются 8 ионов противоположного знака,
            отстоящие от иона А на расстояние, равное длине диагонали элементар-
            ного куба, т.е. 2r . Соответствующая слагающая потенциальной энергии
                                                         8q 2
            может быть положена равной U 1III = −               . Выделяя дальнейшие слои ио-
                                                          3r
            нов, равноудалённых от иона А, мы можем, очевидно, найти и соответст-
                                                                                           51

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


            вующие дальнейшие слагающие потенциальной энергии. Полная потенци-
            альная энергия взаимодействия ионов определяется как сумма всех этих
            слагающих. Поскольку все эти слагающие будут содержать в виде множи-
                           q2
            теля член         и отличаться друг от друга лишь численным коэффициентом
                           r
            и знаком, суммирование должно привести к формуле вида
                                      q2
                   U 1 = −α M
                                      r
                  где α M – некоторый численный коэффициент. Этот коэффициент
            (так называемый коэффициент Маделунга) для кубической решётки типа
             NaCl равен 1,74. Таким образом, для выбранного нами случая первая сла-
            гающая взаимной потенциальной энергии иона со всеми его окружающими
            ионами может быть положена равной
                                      q2
                   U 1 = −1,74                                                                   (59)
                                       r
                  Для выражения потенциальной энергии, связанной со взаимодейст-
            вием электронных оболочек, пользуются степенной или экспоненциальной
            функцией спадания. При этом в первом приближении достаточно учиты-
            вать лишь взаимодействие оболочки данного иона с ближайшими шестью
            соседними ионами, так как для более удалённых ионов сила взаимодейст-
            вия между оболочками, быстро убывающая с расстоянием, очевидно, мо-
            жет быть положена равной 0. Таким образом, эта слагающая потенциаль-
            ной энергии может быть положена равной
                       6b
                   U2 =                                                     (60)
                       rn
                   где b – константа, характеризующая взаимодействие электронных
            оболочек изолированной пары ионов, а знак + указывает на то, что соот-
            ветствующие силы взаимодействия являются силами отталкивания; n
            обычно значительно больше единицы. Складывая (59) и (60), мы получаем
            полную взаимную потенциальную энергию U иона и окружающей решёт-
            ки без учёта энергии слабых сил (например, вандер-ваальсовых):
                                      q 2 6b
                   U 1 = −1,74           +                                                       (61)
                                       r rn
                 Эта энергия является функцией расстояния между ионами.
                 В равновесном состоянии при отсутствии внешних сил потен-
            циальная энергия иона должна быть минимальной, т.е. должно выполнять-
                                 dU
            ся условие                         = 0 . Воспользуемся этим условием для того, чтобы опре-
                                 dr   r = ro

            делить константу b .
                  Дифференцируя (61) по r и приравнивая производную нулю, полу-
            чаем:
                   dU                α M q 2 6nb
                                 =          − n +1 = 0
                   dr   r = ro         ro2   r
                   и
                                                                                                    52

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


                      α M ron −1 q 2
                   b=
                          6n
                Подставляем полученное выражение для b в (61) и получаем сле-
            дующее выражение для потенциальной энергии:
                                n −1 q2
                   U = −1,74                                                             (62)
                                  n ro
                   где ro – равновесное расстояние между ионами, т.е. параметр решёт-
            ки.
                  Энергия кристалла в целом может быть получена, если помножить
            (62) на половину общего числа ионов, заключающихся в кристалле. Поло-
            винное значение приходится брать потому, что выражение (62) определяет
            взаимную потенциальную энергию данного иона с окружающими; если
            просуммировать выражение (62) для всех ионов, то энергия каждого иона
            будет учтена дважды: как исходного иона и как того иона, с которым свя-
            зан данный исходный ион. Полученное выражение окажется поэтому рав-
            ным удвоенному значению энергии. Энергия единицы объёма кристалла
            должна быть поэтому положена равной
                                  n −1 q2
                   U o = −0,87        N                                                  (63)
                                    n   ro
                 где N – число ионов в единице объёма. Работа, численно равная этой
            энергии, должна быть затрачена для того, чтобы разнести все те ионы, из
            которых построен кристалл, на бесконечные расстояния друг от друга.
            Очевидно, что на каждую пару разноимённых ионов, содержащихся в кри-
                                                 2                     n −1 q2
            сталле, приходится энергия U o         , т. е. U o = −1,74         . Таким образом,
                                                 N                       n ro
            выражение (62) можно трактовать как энергию пары ионов, “молекулы”, в
            кристалле.
                 Число ионов, содержащихся в единице объёма кристалла, можно по-
            ложить равным числу элементарных кубов, содержащихся в этом объёме,
                                                   1                                 1
            которое, в свою очередь, равно          3
                                                      . Заменяя в формуле (63) N на 3 , мы
                                                  ro                                ro
            получаем для энергии следующее выражение:
                                  n −1 q2
                   U o = −0,87                                                           (64)
                                    n ro4
                   Коэффициент n может быть определён, исходя из анализа механиче-
            ских свойств кристаллов. На самом деле, если подвергнуть кристалл меха-
            нической деформации, например, всестороннему сжатию, то появятся си-
            лы, противодействующие сжатию и стремящиеся вернуть кристалл после
            удаления внешней силы к первоначальному объёму. Величина этих сил
            может быть вычислена, исходя из известной анергии решётки. Соответст-
            вующие коэффициенты упругости оказываются функциями коэффициента
            n , зарядов ионов и параметров решётки. Так как эти две последние вели-
            чины нам хорошо известны, то можно, приравнивая вычисленный и изме-

                                                                                            53

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


            ренный коэффициент всестороннего сжатия, определить и n . Для случая
            каменной соли n , согласно определениям разных авторов, оказывается
            равным от 7,8 до 11,3. Для других щёлочно-галоидных кристаллов n лежит
            в пределах от 3,96 до 19,7.
                                                                         n −1
                   Поскольку n заметно больше единицы, дробь                  может быть при-
                                                                           n
            ближённо положена равной 1. Но тогда формулы (59) и (62) оказываются
            практически совпадающими. Мы видим, таким образом, что энергия иона
            и соответственно всего кристалла в основном зависит от энергии кулонов-
            ского взаимодействия ионов; взаимодействие же электронных оболочек на
            величину энергии почти не влияет.


              Поляризация кристаллов с высокой диэлектрической проницаемо-
                                          стью

                   За последние годы большое значение приобрели вещества с высокой
            диэлектрической проницаемостью. Применение таких веществ в технике
            непрерывно расширяется. А потому весьма важной оказывается задача ис-
            следования причин высокой диэлектрической проницаемости этих ве-
            ществ, изучения их диэлектрических свойств в зависимости от состава и
            структуры и, наконец, создание новых диэлектриков с высокой диэлектри-
            ческой проницаемостью.
                   Большинство ионных кристаллов имеет диэлектрическую проницае-
            мость, лежащую в пределах 5–13, и квадрат показателя преломления 1,6–
            3,5. Это относится к щёлочно-галоидным кристаллам, к кристаллическим
            окислам щёлочно-земельных металлов, к сульфидам, селенидам и т.п.
                   Исключение составляют, во-первых, полупроводники (например, се-
            ребряно- и медно-галогенные кристаллы), имеющие повышенный показа-
            тель преломления ( ε o = ν 2 = 3,5 ч 4,5 ), и, во-вторых, сравнительно небольшая
            группа кристаллов, которые наряду с повышенным показателем преломле-
            ния ( ε o = ν 2 = 3,5 ч 7,3 ) имеют повышенную и весьма большую диэлектриче-
            скую проницаемость при всех электротехнических частотах (от 20 до 173),
            но в то же время не являются сегнетоэлектриками. Ионный характер решё-
            ток этих кристаллов в сочетании со сравнительно малой зависимостью ди-
            электрической проницаемости от температуры заставляет думать, что ос-
            новными видами поляризации этих кристаллов являются смещение элек-
            тронных оболочек ионов и смещение самих ионов. К этой группе относят-
            ся кристаллы типа рутила ( TiO2 ), высокая диэлектрическая проницаемость
            которого была впервые установлена Шмидтом в 1902 г. и кристаллы типа
            перовскита ( CaTiO3 ), высокая диэлектрическая проницаемость которого
            была впервые установлена Г. И. Сканави в 1944 г.
                   Вул и Гольдман измерили диэлектрическую проницаемость титана-
            тов металлов второй группы системы Менделеева, которые образуют кри-

                                                                                           54

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


            сталлы типа ильменит или перовскит. При этом были получены замеча-
            тельные результаты:
                  а) все титанаты структуры перовскит имеют большую диэлектриче-
            скую проницаемость, чем титанаты структуры ильменит,
                  б) с увеличением атомного номера щелочного металла в данной под-
            группе (перовскит или ильменит) диэлектрическая проницаемость растёт и
                  в) было впервые обнаружено, что титанат бария имеет исключитель-
            но высокую диэлектрическую проницаемость (свыше 1000),
                  а также ряд других замечательных свойств.
                  Дальнейшее исследование титаната бария показало, что он должен
            быть отнесён к новому виду сегнетоэлектриков.
                  В таблице 14 приводятся некоторые данные о кристаллах с по-
            вышенной диэлектрической проницаемостью.
                  Сюда относится также сегнетоэлектрик – метатитанат бария, ко-
            торый при температурах выше точки Кюри не обладает сегнетоэлектриче-
            скими свойствами, но имеет всё же высокую диэлектрическую проницае-
            мость. Кристаллическая решётка титаната бария выше точки Кюри имеет
            структуру типа перовскита.
                  Таблица 14 показывает, что кристаллические структуры рутила и пе-
            ровскита благоприятствуют высокой диэлектрической проницаемости.
            Большая разница между ε и ν 2 могла бы быть объяснена большой поляри-
            зуемости ионного смещения, т.е. своеобразной “рыхлостью” кристалличе-
            ской решётки. Однако сравнительно высокие частоты собственных коле-
            баний решётки, определённые оптическими измерениями (по “остаточ-
            ным” лучам – см. λ в таблице 14), показывают, что поляризуемость ионно-
            го смещения не может быть заметно больше, чем, например, у щёлочно-
            галоидных кристаллов.
                  Попытки объяснения высокой диэлектрической проницаемости ру-
            тила, основанные на применении к рутилу формулы Борна или формулы
            Клаузиуса–Мосотти, не привели к положительным результатам. Формула
            Борна получена на основании того предположения, что на ион в диэлек-
            трике действует среднее макроскопическое поле, а формула Клаузиуса–
            Мосотти справедлива тогда, когда внутреннее поле равно лоренцову. Лег-
            ко убедиться в том, что как к рутилу, так и к перовскиту ни формула Бор-
            на, ни формула Клаузиуса–Мосотти применены быть не могут.
                  Наряду с этим расширение класса диэлектриков с высокой диэлек-
            трической проницаемостью и всё большее применение их в технике дела-
            ют задачу объяснения их экстраординарных свойств всё более актуальной.
            Чтобы выяснить причины высокой диэлектрической проницаемости рути-
            ла и перовскита необходимо, прежде всего, попытаться хотя бы в первом
            приближении учесть внутреннее поле в этих кристаллах.
                  Учёт внутреннего поля в первом приближении можно провести, сле-
            дуя методу Лорентца (см. выше), по которому все молекулы (или ионы)
            диэлектрика, кроме рассматриваемой, разбиваются на две части вообра-

                                                                                   55

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


            жаемой сферой, в центре которой находится рассматриваемая молекула
            (или ион).
                  Как уже было замечено, действующее поле в диэлектрике (т.е. поле,
            действующее на каждый ион) может быть представлено в виде следующей
            суммы:
                               4πP
                   E = Eср +       + E доб
                                3
                  где Eср – среднее макроскопическое поле, P – электрический момент
            единицы объёма (поляризация) и E доб – добавочное внутреннее поле, обу-
            словленное действием ионов, находящихся внутри сферы Лоренца.
                  В таких сравнительно сложных кристаллах, как рутил и перовскит,
            добавочное внутреннее поле может иметь заметное значение. Если счи-
            тать, что электронные оболочки ионов в решётке рутила и перовскита
            имеют сферическую форму, то кристаллическую решётку, находящуюся в
            электрическом поле, можно считать построенной из точечных зарядов, ка-
            ждому из которых следует приписать ещё наведённый электрический мо-
            мент. Такое приближение, по существу вытекающее из борновской модели
            кристалла, является схематическим. Однако развитие более детальной кар-
            тины в настоящее время вряд ли возможно. С другой стороны, совершенно
            очевидно, что приблизительный расчёт внутреннего поля в кристаллах ти-
            па рутила и перовскита – это первое, что нужно сделать, идя по пути выяс-
            нения причин их высокой диэлектрической проницаемости. Соответст-
            вующие расчёты были произведены Г. И. Сканави (ЖЭТФ, XVII, № 5, 399,
            1947).

                                       Электрические свойства слюды
                                             Введение
                   Слюда, как диэлектрик, находит сейчас широкое применение в тех-
            нике производства конденсаторов и различных изоляционных материалов.
            Слюды образуют обширную группу минералов, характеризующихся со-
            вершенной спайностью – способностью расщепляться на тонкие пластинки
            с ровной поверхностью. Из всех известных видов слюд мусковит и флого-
            пит обладают наиболее выраженными и полезными электрическими свой-
            ства, а слюдобумаги выполненные на основе этих композитов являются
            очень интересными объектами для научных исследований. Многие эффек-
            ты, происходящие в слюдобумагах находят широкое применение в технике
            и быту. Из электрических свойств слюдобумаг наиболее значимы и важны
            те, которые связанны с диэлектрической проницаемостью. Заметим, что
            значения этой величины в слюде могут меняться в широком диапазоне – от
            2 ч 4 до 10 6 . Материалы с такой величиной диэлектрической проницаемо-
            сти позволяют создавать очень компактные устройства большой ёмкости
            для хранения и использования электрической энергии. При этом такие уст-
            ройства совершенно не токсичны, что, конечно, немаловажно в сегодняш-

                                                                                   56

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


            ней экологической обстановке, и достаточно дёшевы, поскольку слюды
            предостаточно в Земных недрах.
                  Ниже рассматривается ряд замечательных свойств слюдяных компо-
            зитов, предпринимаются попытки их объяснения на основе известных тео-
            рий, а также обсуждается их практическое применение.

                                             Строение слюды

                  Слюда в обычных условиях является хорошим диэлектриком и обла-
            дает малой проводимостью. В обычных условиях в ней практически отсут-
            ствуют свободные носители зарядов, но если слюдяной образец достаточ-
            но сильно нагреть, возникает значительное сквозное движение заряженных
            частиц под воздействием внешнего поля. В основном это движение ионов,
            которое приводит к появлению аккумуляторного эффекта, а при относи-
            тельно малом увлажнении флогопита наблюдается значительный рост её
            адсорбционной емкости. Эти эффекты возникают за счёт своеобразного
            состава и строения кристаллов слюды. Для объяснения этих свойств следу-
            ет рассмотреть более подробно строение кристаллов слюды.
                  В состав слюды входит множество различных элементов с различ-
            ным процентным содержанием, основными элементами состава являются
            кремний, кислород, алюминий, магний, калий, водород, а также многие
            другие элементы в очень небольших количествах. Кристаллическую осно-
            ву структуры слюд составляет плоский двойной кремне-кослородный па-
            кет, который содержит гидрооксильную группу OH − и отстоящий на рас-
            стоянии порядка четырёх ангстрем ион калия K + . Эти два иона образуют
            жёсткие диполи, взаимодействия между которыми обеспечивают силы
            притяжения пакетов в кристалле.
                  Поскольку, кристаллы слюды имеют большое количество примесей,
            то кристалл не является идеальным и содержит очень много различных
            дефектов. Их наличие, а также кристаллическое строение приводит к обра-
            зованию расслоений в слюдокристаллах, как в процессе их образования,
            так и при различного рода механических воздействий в природных усло-
            виях. Эти расслоения имеют очень активные поверхности, а их активность
            объясняется мощными не скомпенсированными поверхностными полями
            возникающими в процессе расслоения или растрескивания.
                  Рассматривая кристалл флогопита или мусковита под микроскопом,
            при определённых условиях можно заметить микро- и субмикроблочность
            в их строении. Субмикроблоки представляют собой свободные от приме-
            сей, геометрически правильные объёмы кристалла, окружённые областями
            с дефектами. Объём дефектных областей в 2,3 раза меньше объёма не де-
            фектных. Дефектные области представляют собой узлы кристаллической
            решётки с внедрёнными в них примесями, что само собой нарушает пе-
            риодичность в кристалле, и приводит к уменьшению механической и элек-
            трической прочности в местах неоднородности. Поэтому в любом кри-


                                                                                   57

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


            сталле природной слюды имеются расслоения, возникшие в процессе его
            образования. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.

                                        Активность поверхности

                  Итак, мы выяснили, что под воздействием внешних механических
            напряжений или внутренних микронапряжений (в результате термоколе-
            баний) происходит отделение кремне-кослородных пакетов друг от друга
            или от примесей по границам субмикроблоков. Это приводит к появлению
            электрических полей на их поверхности. Источниками этих полей являют-
            ся как диполи, погружённые в пакет, так и “оторванные” атомы примесей.
            На поверхности расслоения преобладают поля образованные положитель-
            ными зарядами диполя K + − OH − нежели отрицательными. Это имеет место
            поскольку отрицательные ионы погружены в пакет и частично нейтрали-
            зованы им. Но, кроме того, положительные поля высокой напряжённости
            создаются также ионами, которые заместили ионы калия, и имеют мень-
            ший атомный радиус, а, следовательно, создают вокруг себя поле большей
            напряжённости, чем ионы калия. Образовавшиеся активные центры взаи-
            модействуют с молекулами окружающего вещества притягивая или оттал-
            кивая их
                  Если кристалл не изолирован, то к активным центрам притягиваются
            молекулы различных веществ, находящихся в атмосфере, в том числе и
            молекулы воды, имеющие значительный дипольный момент. Таким обра-
            зом, на активные поверхности из окружающей атмосферы происходит ди-
            сорбция молекул веществ, а поскольку у молекул воды, зачастую, диполь-
            ный момент больше, чем у молекул других веществ, то в конечном итоге
            молекулы воды вытесняют другие вещества от активных центров, покры-
            вая центры активности тонкими водными плёнками. Выясним влияние та-
            ких плёнок на электрические свойства слюды.

                                         Водные плёнки в слюде

                  В зависимости от внешних условий, а именно, от влажности воздуха,
            меняется толщина водной плёнки в кристалле, а значит и напряжённость
            поля вблизи центров активности, поскольку вода частично нейтрализует
            заряды, разделяясь на ионы в сильных полях.
                  Ионы в водных плёнках появляются так же за счёт наличия примес-
            ных, слабосвязанных атомов в структуре кристалла. Таким образом, при
            наличии в окружающей кристалл атмосфере молекул воды в нём возника-
            ют водные плёнки, а у достаточно “сильных” центров активности они дис-
            социируют. То есть в слюде существуют “ловушки” содержащие ионы во-
            ды и примесные ионы. Такие системы в целом электронейтральны и доста-
            точно стабильны, поскольку известно, что средняя температура испарения
            молекул воды с поверхности кристалла около 400 К. Возникшая система:
            центр – ион(ы) в первом приближении является диполем, поле которого

                                                                                   58

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


            противоположно внешнему, если такое имеется. Если поместить образец
            слюды в электрическое поле, то внутри образца будет наблюдаться его ос-
            лабление. Это ослабление тем сильнее, чем больше в кристалле ловушек,
            содержащих ионы. Но ловушки в кристалле образуются около центров ак-
            тивности, число которых зависит от количества механических дефектов в
            кристалле. Из предшествующих рассуждений, следует ожидать, что у об-
            разцов слюды с множеством механических дефектов, то есть с большой
            электрически активной поверхностью, при увлажнении должна значитель-
            но увеличиваться диэлектрическая проницаемость, что действительно на-
            блюдается на опыте.
                  Заметим, что поле, создаваемое ионами в плоскости кристалла, очень
            быстро убывает с расстоянием, и, если первый монослой воды имеет энер-
            гию связи с поверхностными ионами кристалла, превышающую энергию
            теплового движения молекул воды, то связь последующих слоёв быстро
            ослабевает с расстоянием, а молекулы воды этих слоёв становятся всё бо-
            лее подвержены влиянию внешнего электрического поля. Внешнее поле не
            может заметно отклонять молекулы первого слоя воды, поскольку он дос-
            таточно жестко связан с поверхностными ионами. Но дальние слои как раз
            легко ориентируются полем и, следовательно, более сильно проявляются
            объёмные свойства воды.
                  Заметим, что с водными плёнками на поверхности кристаллов слюды
            связано ещё одно интересное явление – частотный ход. Это явление объяс-
            нимо с тех же позиций, что и зависимость диэлектрической проницаемости
            образца от степени его увлажнения. В случае тонких плёнок воды её моле-
            кулы жёстко связаны с ионами кристалла и слабо реагируют на воздейст-
            вие внешнего электрического поля. Чем больше частота, тем меньшим ока-
            зывается влияние поля на молекулы слоёв. В случае же большой относи-
            тельной влажности образца плёнки воды имеет толщину во много молеку-
            лярных слоёв, самые дальние из которых очень слабо взаимодействуют с
            ионами на поверхности кристалла, а потому при низких частотах ориенти-
            руются по полю, т.е. колеблются с той же частотой. С повышение частоты
            диполи воды не успевают переориентироваться по направлению внешнего
            поля, а на частотах выше 10 4 Гц молекулы воды совершают лишь тепловые
            колебания около своего положения равновесия, не реагируя на изменение
            внешнего поля.


                           Влияние воды на электрические свойства слюд

                 Для выяснения или подтверждения процессов происходящих в слю-
            де при наличии молекул воды в окружающей среде можно провести ряд
            экспериментов, в которых в качестве образцов с большой активной по-
            верхностью желательно выбрать флогопитовые слюдобумаги. Флогопито-
            вые слюдобумаги представляют собой слюдо-водные композиты, состоя-
            щие из слюдяных лепестков связанных тонкими плёнками воды. Изготов-
                                                                                   59

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


            ление слюдобумаг осуществляется путём осаждения слюдяной пульпы, со-
            стоящей из мелких частичек слюды неправильной формы взвешенных в
            воде. Эти частички когда-то составляли природный кристалл слюды, но в
            процессе механической обработки он был раздроблен на мелкие кусочки и
            теперь из них приготовлен слюдяной композит, имеющей очень большое
            число дефектов, большую активную поверхность и, соответственно, боль-
            шое число центров электрической активности.
                  При помещении образцов во влажную среду они очень интенсивно
            впитывают воду за счёт большой площади активной поверхности и, как
            следствие, высокой гигроскопичности. Эксперименты показывают, что с
            увеличением процентного содержания воды в образце происходит ощути-
            мый рост электрической ёмкости образцов, который можно объяснить уве-
            личением диэлектрической проницаемости флогопитов. Вспомним, что
            диэлектрическая проницаемость вещества это величина, показывающая, во
            сколько раз ослабляется внешнее поле в диэлектрике. Чтобы внешнее поле
            ослаблялось, в диэлектрике должно появиться своё поле противоположное
            внешнему, а это происходит при его поляризации. Явление поляризации
            сводится к изменению положения в пространстве частиц диэлектрика,
            имеющих электрический заряд того или иного знака, в результате чего ка-
            ждый микроскопический объём диэлектрика приобретает некоторый наве-
            дённый электрический момент. Существуют различные виды поляризации,
            но остановимся на той которая возникает в композите за счёт наличия в
            нём молекул воды, а именно, на ионной. Как мы уже выяснили ранее, на
            активные поверхности кристалла из окружающей среды происходит осаж-
            дение молекул воды, а на мощных электрических центрах происходит её
            диссоциация и центры частично нейтрализуются, возникшими ионами.
            Иными словами, наличие водных плёнок на электрических центрах актив-
            ности, приводит к уменьшению их потенциалов, или если рассматривать
            центр активности, как потенциальную яму, ведёт к уменьшению её стенок.
            А при достаточном увлажнении происходит перекрывание плёнок различ-
            ных центров, что значительно увеличивает вероятность перехода иона от
            одного центра к другому. Таким образом, в кристалле образуется цепочка,
            состоящая из активных центров по которой ионы могут перемещается не
            только на микроскопические расстояния, но и на макроскопические, то
            есть по всему кристаллу.
                  Макроскопически это соответствует увеличению тока текущего че-
            рез образец, а микроскопически соответствует возникновению каналов
            ионной проводимости, которые позволяют перемещаться ионам к грани-
            цам образца, создавая тем самым объёмный заряд, поле которого ослабляет
            внешнее. Ну, а в нашем случае уменьшение внешнего поля способствует
            накоплению большего заряда на обкладках конденсатора из флогопита, а
            значит, ведёт к увеличению его ёмкости, что, собственно, и наблюдается.
                  Также происходит рост сопротивления образца. Затем, через не-
            сколько минут от начала увлажнения сопротивление начинает падать. Это
            явление можно объяснить следующим образом. До увлажнения образцов в
                                                                                   60

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика