Диэлектрики. Дисперсия

П. Дебай

Исследования Ланжевена оказали существенное влияние и на изучение свойств диэлектриков. В 1912 г. П. Дебай обнаружил температурную зависимость диэлектрической постоянной. Это привело к идее, что молекулы некоторых диэлектриков обладают постоянным электрическим моментом (являются электрическими диполями) и потому ведут себя аналогично парамагнетикам. Поляризация единицы объема таких диэлектриков

Таким образом, для зависимости электрической восприимчивости от температуры имеет место закон, аналогичный закону Кюри для парамагнетиков (закон Дебая). Измерение температурной зависимости электрической восприимчивости дает возможность определить дипольный момент молекул, и Дебай в 1912-1913 гг. произвел определение дипольных моментов для молекул ряда спиртов, толуола, нитробензола и воды. Наряду с поляризацией, обусловленной поворотом дипольных моментов со времен Клаузиуса-Моссоти; известна индуцированная поляризация: нейтральная молекула получает под действием электрического поля электрический момент. Этот момент пропорционален полю ("квазиупругий диполь") и определяется только структурой молекулы. В этом случае коэффициент поляризуемости а не зависит от температуры. При наличии обоих видов поляризации диэлектрическая постоянная

Если поле быстропеременное (оптическая частота), то диполи не могут следовать за такими быстрыми изменениями и вся поляризация обусловлена квазиупругими диполями. Следовательно, показатель преломления n в случае оптических частот будет определяться по закону Максвелла только величиной

С другой стороны, измеряя диэлектрическую проницаемость е в статических полях, находим

что опять-таки дает возможность определить р₀. Дебай на протяжении ряда лет исследовал полярные молекулы. Результатом его исследований явилась монография "Полярные молекулы". Работы Дебая по изучению структуры молекул удостоены в 1936 г. Нобелевской премии по химии.

Для газов и паров электронная теория диэлектриков успешно проверялась методами дисперсии. Электронная теория дисперсии, разработанная М. Планком, Г. Лоренцем, П. Друде, исходила из представления об электронах, связанных в атомах и молекулах квазиупругими связями. Под действием электрического вектора эти электроны совершают вынужденные колебания, что приводит к появлению переменного электрического момента. Отсюда получаем выражение

где n - показатель преломления, א - коэффициент поглощения. В теории Друде

есть длина волны собственных колебаний резонатора,

где N - число резонаторов в 1 см³, h - коэффициент затухания резонатора, e - заряд электрона, m - его масса.

В теории Лоренца

Здесь введен коэффициент α, учитывающий влияние соседних диполей на рассматриваемый. Лоренц для некоторых простых случаев полагает α = ¹/₃.

Теорию дисперсии экспериментально проверяли В. Вуд в 1902 и 1904 гг. и Д. С. Рождественский в 1912 г., подтвердившие справедливость теории квазиупругих резонаторов. Вместе с тем Рождественский вскрыл некоторые целочисленные соотношения, смысл которых выявился в квантовой теории дисперсии.

Поляризация диэлектрика оказалась тесно связанной с его электропроводностью. "Поведение диэлектрика в электрическом поле,- писал А. Ф. Иоффе,- заставляет нас приписать ему еще способность проводить электрические заряды. Тем не менее оба эти явления, поляризация и электропроводность, столь тесно связаны между собой в своих проявлениях, что нередко их трудно отличить друг от друга; вот почему вся эта проблема была названа своего рода диэлектрической аномалией".

Исследование электрических свойств твердых диэлектриков было предпринято на кристалле кварца Жаном и Пьером Кюри в 1888 г., разработавшими методику таких исследований. Они обнаружили, что при приложении постоянной разности потенциалов к кристаллическому диэлектрику в нем возникает убывающий во времени ток. При снятии разности потенциалов в проводе, соединяющем обкладки конденсатора с диэлектриком, возникает убывающий ток противоположного направления. Этот обратный ток получается наложением обратного тока, падающего с такой же скоростью, как и первичный, и положительного экстраполированного тока.

А. Ф. Иоффе начал в 1908 г. изучение электрических свойств кварца совместно с Рентгеном в Мюнхене и продолжал его в Петербурге совместно с М. В. Кирпичевой. Они показали, что в кристалле, помимо приложенного постоянного напряжения V, существует дополнительная электродвижущая сила Р, вызванная током. При этом "уменьшения как прямого, так и обратного тока строго пропорциональны приложенной' электродвижущей силе Р". Для кристаллов остается справедливым закон Ома в форме

где R - сопротивление и G - проходимость - величины, не зависящие от времени, характеризующие кристалл. В дальнейшем А. Ф. Иоффе и его сотрудники изучали механизм электропроводности кристаллов. Для ряда кристаллов галоидов, азотнокислых, сернокислых солей, карбидов, у кварца и LiH была обнаружена электролитическая проводимость, подчиняющаяся закону Фарадея.

В 1903 г. Иоффе обнаружил электронную проводимость у кварца, кальцита и других кристаллов, возникающую под действием рентгеновских лучей. Эти исследования положили начало изучению электрических свойств полупроводников.

Таким образом, еще до первой мировой войны начала складываться на основе электронных и квантовых представлений физика твердого тела. Были сделаны первые попытки истолковать теоретически упругие, тепловые, магнитные и электрические свойства твердых тел. Еще многое было неясно, многое понималось неверно, но важный шаг был сделан: вместо отрывочных эмпирических сведений о свойствах твердых тел начала складываться физическая картина строения и свойств этих тел.