Глава 3. Работы по физике диэлектриков

1. Высоковольтная поляризация

Из всего широкого спектра физических и физико-технических исследований, которыми занимались в ЛФТИ и ЛФТЛ, для нас особый интерес представляют работы по физике диэлектриков и механизму их электропроводности. Своими корнями они связаны с дореволюционными работами А. Ф. Иоффе на эту тему, начатыми в лаборатории Рентгена в Мюнхене. Строительство электростанций и линий передач, нужды кабельной промышленности (представленной в Ленинграде крупнейшим заводом этого профиля "Севкабелем") требовали действенной помощи от физиков. Именно это направление прикладных исследований - изучение условий протекания пробоя диэлектриков, их изолирующих свойств при гигантских напряжениях - возглавил А. Ф. Иоффе в рамках отдела общей физики ЛФТЛ. К работам в этом направлении он привлек A. Ф. Вальтера, Б. М. Гохберга, Н. Н. Семенова, B. А. Фока - своих учеников и сотрудников по ЛФТИ и по физико-механическому факультету ЛПИ. Однако отдел нуждался в значительно большем числе энергичных научных работников.

В 20-е годы физика диэлектриков переживала пору интенсивного развития. К концу прошлого века работами прежде всего Варбурга было доказано, что перенос тока в стекле производится ионами натрия. Оказалось, что для стекла и других твердых диэлектриков с достаточной точностью соблюдается закон Фарадея. Что касается закона Ома, то от него имелись существенные отступления. В широком интервале температур была неясна зависимость электропроводности от температуры. Сотрудники лаборатории А. Ф. Иоффе включились в этот комплекс вопросов, волновавших его в тот момент. В первой краткой работе на эту тему [17], выполненной в Ленинграде, содержалось обсуждение исследований томских физиков (В. Д. Кузнецова и его сотрудников), занимавшихся изучением распределения потенциала в кристаллах NaCl [18]. Авторы [17] на примере кристаллов СаСО₃ и NaCl показали, что искажения кривой распределения потенциала по длине образца связано с наличием в нем примесей, а не с соотношением между подвижностями Na⁺ и Сl^-, как полагали в [18].

Игорь Васильевич Курчатов. Ленинград, 1925 (?) г.

Работа [17] открыла целую серию исследований по высоковольтной поляризации диэлектриков. Еще А. Ф. Иоффе установил, что основное падение (скачок) потенциала приходится в некоторых диэлектриках на приэлектродные области. Считалось, что такой эффект имеет место лишь при высоких температурах. В следующей работе И. В. Курчатова и К. Д. Синельникова [19] эта точка зрения отвергалась. При этом основное внимание уделялось исследованиям приэлектродного слоя, методам измерения его толщины и определению падения напряжения на нем. Авторы вплотную подходят к проблеме пробоя диэлектриков.

К тому времени большое распространение получила тепловая теория пробоя, восходящая к работам Роговского и Кармана и получившая полное завершение в серии исследований, выполненных в ЛФТИ Н. Н. Семеновым, А. Ф. Вальтером, В. А. Фоком и их коллегами. В условиях, когда тепло, выделяемое при прохождении тока через диэлектрик, не полностью отводится за его пределы, идет разогрев образца, вызывающий увеличение тока и соответствующее возрастание джоулева тепла. Процесс лавинообразно нарастает вплоть до пробоя (термическое разрушение диэлектрика). Однако при низких температурах, достаточной площади поверхности электродов и не слишком больших толщинах образца пробой осуществляется не за счет теплового воздействия, а в результате какого-то иного механизма. Поскольку в исследованных диэлектриках электронной проводимости не наблюдалось, А. Ф. Иоффе, И. В. Курчатов и К. Д. Синельников в работе [20] выступили с поддержкой и расширением выдвинутого несколько ранее А. Ф. Иоффе предположения о том, что пробой происходит в результате развития ионной лавины, приводящей к ударной ионизации. Соответствующая идея состояла в том, что длина свободного пробега иона в кристалле достаточна для накопления энергии, необходимой для выбивания нового иона. Если, однако, испытуемые образцы достаточно тонки, так что на пути иона к электроду "укладывается" всего несколько длин свободного пробега, лавина не успевает принять масштабы, соответствующие пробою. Значит, должен иметь место эффект возрастания пробивного напряжения с уменьшением толщины образца. Опыты подтвердили, казалось бы, существование этой тенденции. А отсюда вытекали широкие возможности для технических применений - создание высоковольтных слоистых изоляторов, составленных из тонких изолирующих прослоек (типа стекла, слюды, олифы и т. д.), а также высоковольтных "аккумуляторов". Специальная лаборатория в ЛФТЛ, возглавляемая А. Ф. Иоффе, о которой говорилось выше, так и называлась: "Лаборатория высоковольтного аккумулятора". В ней велось исследование особенностей пробоя в тонких слоях, развивались методики получения таких слоев и способы измерения их толщины и т. д. Все это делалось в надежде на возможность реализации указанных выше технических выходов. Стоит заметить, что эта надежда была подкреплена рядом работ за рубежом (в первую очередь в Германии), в которых подтверждался эффект электрического упрочнения.

Дальнейшие теоретические [21 ] и экспериментальные [22] исследования показали, что концепция ионной лавины и результаты соответствующих опытов должны быть пересмотрены, поскольку в последние вкралась систематическая ошибка при определении толщины изучавшихся слоев.

Существенно, однако, что в ходе этих работ лаборатории Иоффе, и в частности работ Курчатова и его коллег, был получен и ряд положительных, сохранивших свое значение и поныне результатов: были найдены новые изоляционные материалы, выполнены прецизионные эксперименты, доказавшие справедливость закона Фарадея [23], проложен путь к построению картины электрической прочности кристаллов, развита глубокая аналогия между механическими и электрическими свойствами кристаллов (роль примесей и других искажений решетки в процессах, связанных с механическим и электрическим разрушениями).

Надо заметить, что во второй половине 20-х годов имела L хождение теория австрийского физика Смекала (давнего оппонента А.Ф.Иоффе в его работах по механическим свойствам кристаллов), в соответствии с которой электрический пробой диэлектриков является на самом деле механическим пробоем. Разрушение диэлектрика, по Смекалу, вызывалось действующими на него силами, определяемыми запасенной в конденсаторе электрической энергией. По оценкам, эти силы были примерно на порядок меньше теоретического предела прочности кристаллов, но Смекал полагал, что разрушение происходит за счет перенапряжений на концах дефектов структуры кристалла - на трещинах (в соответствии с представлениями Иоффе). С целью проверки этой гипотезs Кобеко и Курчатов [24] провели специальное исследование электрического пробоя естественных и специально обработанных (упрочненных за счет отжига и последующей пластической деформации) образцов каменной соли. При этом была доказана несостоятельность предложенной Смекалом схемы.

Отметим, что эффект роста пробивного напряжения с уменьшением толщины образца позднее надежно наблюдался в ряде экспериментов с диэлектриками, однако пробой в этом случае возникал за счет развития электронной лавины. Таким образом, сама идея об ударной ионизации в твердых телах, хотя и в модифицированной форме, получила свое развитие и подтверждение. Более того, исследования р-n - переходов продемонстрировали существование того же самого эффекта в полупроводниках [25].^*

^* (В статье [25] имеется подробная библиография соответствующих экспериментальных и теоретических работ.)

При этом р-n - переход, из которого свободные носители были "вытянуты" под влиянием сильного электрического поля, оказался аналогом тонких приэлектродных слоев в диэлектрике, ответственных за высоковольтную поляризацию и другие эффекты. Прямые эксперименты в полупроводниках (германии и кремнии), выполненные в конце 50-хгодов, т. е. еще при жизни Иоффе и Курчатова, показали, что пробивная напряженность поля на р-n - переходе возрастает с уменьшением его толщины. Таким образом, здесь имеет место возникновение лавины носителей и "эффект Иоффе", как это и подчеркивается в [25].

Здесь будет уместно сказать, что к проблеме возникновения электронной лавины в диэлектриках П. П. Кобеко и И. В. Курчатов обратились в процессе исследования теплового пробоя рентгенизованной каменной соли. Напомним, что именно таким материалом в начале века в Мюнхене, у Рентгена, занимался и А. Ф. Иоффе; по существу, на его примере им был открыт внутренний фотоэффект. Оказалось, что электрическая прочность освещенного образца, когда в нем наряду с ионным имеется и электронный ток, значительно меньше (примерно на порядок), чем в случае, когда подсветка в процессе испытаний на пробой не производится, т. е. отсутствует электронный ток.

Приведем в заключение документ, красноречиво свидетельствующий о напряженной работе К. Д. Синельникова, И. В. Курчатова и П. П. Кобеко. Можно думать, что увольнение их в отпуск, о котором идет далее речь, было "принудительным".

Вследствие большой переработки, произведенной сотрудниками Ленинградской физико-технической лаборатории, связанной с работами по высоковольтной изоляции, увольняются мною в двухмесячный отпуск нижеследующие сотрудники: К. Д. Синельников, И. В. Курчатов, П. П. Кобеко с 15 VI 27 г.

Директор Лаборатории акад. Иоффе ^*

^* (Архив ФТИ им. А. Ф. Иоффе, ф. 2, оп. 1, ед. хр. 23, л. 73.)

Июня 5 дня 1927 г.