Файл: Балыгин, И. Е. Электрические свойства твердых диэлектриков.pdf

печках при температуре 1000° С в течение

5 мин. Охлаждение

продолжалось

40 мин. Структурные изменения фиксировались рентгеновским анализом.

Рентгенограммы, снятые у образцов из

кварцевого стекла до

прокаливания

дифракционные максимумы, характерные

для

поликристаллической структуры

(рис.

10-1) [10-1]. Если на эталонной рентгенограмме порошка а-кварца интенсив­

ность

наибольшего дифракционного максимума

(пика) 2, соответствующего меж­

плоскостному расстоянию 3, 343 А, принять за

100, то максимум /, соответствую­

щий межплоскостному расстоянию 4,26 А, должен быть равен 35. Максимумы

I

и 2 образца (рис. 1 0 -1) соответствуют тем

же

межплоскостным расстояниям,

но

торые мостиковые связи

решетки

Si — О

несомненно разрываются.

Рассмотрим

четыре кристаллические ячейки кварца

1—I V (рис. 10-2). Поскольку

каждый ион

кислорода связывает два

иона Si,

то

при

таких разрывах вероятно

образование

отрицательного нона кислорода, нужна, например, затрата

сравнительно

боль­

шой

энергии (3,8

эв).

По имеющимся

литературным

данным связи

S i— О — Si

в кварце

не

только

ионные, но н кова­

лентные. Для упрощения примем их

только ионными.

Предположим, что произошел раз­

рыв мостика в месте 5

(рис. 10-2). При

этом наиболее вероятно валентный элек­

трон связи Si—О останется у кислорода.

У иона же Si 6 будет при этом избыточ­

ный положительный заряд. Весьма воз­

можно, что при разрыве второй связи в

месте 7 валентный электрон от иона кис­

лорода

2 перейдет к

Si

и

тогда остаток

тетраэдра 1, 2, 3 будет в электрическом

отношении нейтральным. В случае треть­

его разрыва в месте 8 ион кислорода 1

также сохранит валентный электрон. Тог­

да часть тетраэдра 6, 1, 2

и 2' (2' — за-

плоскостью рисунка) будет заряжена

отрицательно и поэтому увеличится ве­

роятность

разрыва

связи 6—2 ', но нон

кислорода

унесет с собой

и

валентный

электрон.

Остаток

рассматриваемого

тетраэдра, вероятно, будет в электриче­

ском отношении тоже нейтральным.

Таким

образом,

при плавлении кри­

Р и с.

10-2.

П р оек ц и я реш етки

к р и с т а л ­

сталлического кварца

наиболее вероятно

образование комбинаций с двумя ионами

ли ч еск ого

кварца .

Б о льш и е

св етлы е

кислорода,

имеющими

по

одному

лиш­

к р уж к и — ионы

к и с ло р о д а ;

м а л е н ь ­

нему электрону на внешних орбитах, и

кие

черны е — ионы

кремния

одним

ионом

кремния

с двумя избыточ­

При

плавлении

(t~ 1700° С)

ными

положительными

зарядами.

на распределение

валентных электронов

у неполных

Р а ссм о т р и м

теп ер ь , что п р о и зо й д е т , есл и

в н о л о ст ь

о к т а э д р а

III п рон и к н ет

атом

или

м о л ек у л а в о д о р о д а .

П р и

теп л ов ы х

п е р е б р о с а х

ат о м

Н

м о ж е т

п р и б л и ­

зи ть ся

к

и о н у

к и сл о р о д а 4 с

н ен

асы щ ен н ой

в а л ен т н о сть ю и

о б р а зо в а т ь

с ним

ж а ю щ ей

ср ед ы

1000° С

и м еет ся

в ер о я т н ост ь

д и с со ц и а ц и и

эт о й

св я зи .

Е сл и

эл е к ­

трон

при

д и с со ц и а ц и и

о ст а н ет с я

у к и сл о р о д а ,

то

м о сти к о в а я

св я зь

10—4 м о ж е т

в осст ан ов и ть ся .

И о н

Н +

при

теп л ов ы х

к о л еб а н и я х

м о ж е т

бы ть

п ер еб р о ш ен

к и о н у

к и с л о р о д а

I

и

з а б р а т ь

у

н его вал ен тн ы й

эл ек т р о н .

В

я ч ей к е

III

при

эт о м

с о з д а д у т с я

б л а го п р и я т н ы е

у сл о в и я

д л я

в о сст а н о в л е н и я

и

в тор о й м о сти к о в о й св я зи

9— 1, а ион

Н !

р ек о м би н и р у ет . Е сли

т а к о е

в о сст а н о в л е н и е

п р о и зо й д е т

во

м н огих

со с е д н и х

я ч ей к ах ,

то

о б р а зу е т с я

за р о д ы ш

к р и стал л и ч еск ой

стр ук тур ы .

И з

и зл о ж е н н о г о

с л е д у е т ,

что

в

сет к е

из

д еф о р м и р о в а н н ы х

о к т а эд р о в

SiO /,

п л ав л ен н ого

к вар ц а

атом ы

или

м ол ек ул ы

в о д о р о д а

я вл я ю тся

лиш ь

как

бы

п е ­

р ен осч и к ам и

эл ек т р о н о в

или

к а т а л и за т о р а м и .

В о з м о ж н о ,

что

н еч то

п о д о б н о е

и м еет

м е ст о

и при

в н ед р ен и и

в к в а р ц ев о е

стек л о

н ек отор ы х

м етал л ов .

Н е с м о т р я

на

то,

что

п л а в л ен и е

г о р н о г о

х р у с т а л я

п ри

в ар к е

к в а р ц ев о го

с тек ла

п р о и зв о д я т

с

откачк ой

в о з д у х а ,

н е о б х о д и м о

сч и тать ся

с

вер оятн ы м

за х в а т о м

оск ол к ам и

т е т р а эд р о в

к и сл о р о д а

и з в о з д у х а .

П р и

и зл и ш к е

к и сл о р о д а

(проти в

ст ех и о м ет р и ч еск о го )

в

м о м ен т осты в ан и я

р а сп л а в а

в о зм о ж н ы

к ом би н ац и и ,

п о к а ­

зан н ы е

в

я чей ке

IV

рис. 10-2,

к о гд а

к и сл о р о д н о м у

и о н у

11 б у д е т п р оти в остоя ть

к и сл ор од н ы й

ж е

ион

12.

П р и

эт о м

в о зм о ж н ы

три

к ом би н ац и и :

1)

у

и он а

11

о ст а л с я вален тны й

эл ек тр о н ,

& у 12—

нет;

2 )

о б а

и он а

И и

12 и м ею т

по

в а ­

л ен т н о м у

эл ек т р о н у

и

3)

о б а

б е з

эл ек т р о н о в '

В о

в сех

сл у ч а я х

п ри

осты ван и и

и ф о р м и р о в а н и и

сетк и

о к т а эд р

б у д е т

си льн о

д е ф о р м и р о в а н

и

о со б ен н о

в о

втор ом

в ар и ан т е.

Д еф о р м и р о в а н н а я

ч асть

ячейки

IV вы черчена

ш тр и хам и .

П р и п о п а д а н и и в о д о р о д а в п о л о ст ь IV м о ж е т п р ои зо й т и о б р а зо в а н и е м о л е ­

кулы

в оды ,

к о т о р а я

р а зм е ст и т ь ся

в о к т а эд р и ч ес к о й

п ол о ст и или в

д в у х

с о с е д н и х

[1 0 -2 ],

а

р а зо р в а н н а я

м о сти к о в а я

св я зь

у

о к т а э д р а

м о ж е т

в о сст а н о в и ть ся

или

с р а зу

или

п о ср ед ст в о м

п ер ен о са

з а р я д а

д р у ги м и

а т о м а м и

и м ол ек у л а м и

в о д о ­

р о д а .

В

с л у ч а е

бо л ь ш о го

числа

в осст ан ов л ен и й

в

м и к р о о б ъ ем а х

т а к ж е

б у д е т

о б р а зо в ы в а т ь с я

п ол и к ри стал л и ч еск ая

ст р у к т у р а .

В о зм о ж н ы

при эт о м

и

к о м б и н а ­

ции,

к о гд а

м ости к ов а я

св я зь

б у д е т

п р о д о л ж а т ь

о ст а в а ть ся

р а зо р в а н н о й

р а д и ­

к ал ам и Н О ~

на к о н ц а х . Т ак и е к о м би н ац и и ф и к си р у ю т ся п о п о гл ощ ен и ю и н ­

ф р а к р а сн ы х л уч ей .

А м о р ф и за ц и ю

к р и ст ал л и ч еск о го

к в ар ц а

при

п лав л ен и и

м о ж н о

таки м

о б р а ­

зо м о р и ен т и р ов о ч н о

п р едста в и ть

сл уч ай н ы м и

соч етан и я м и

ч астей

т ет р а эд р о в

из

Si и

О

в

м о м ен т

осты в ан и я

р а сп л а в а .

Н е к о т о р у ю

р ол ь ,

к ак

отм еч а л о сь ,

и гр аю т

и д р у г и х

оск ол к ов

м о гу т

о б р а зо в ы в а т ь с я п яти угол ьн ы е,

вось м и угол ь н ы е

и д р у г и е

к ом би н ац и и . Е стеств ен н о ,

что б у д у т п р и су т ст в о в ат ь

и п р ави л ьн ы е

ок таэдр ы ,

а т а к ж е

н ебол ь ш и е

к р и стал л и тн ы е группы .

туре /2. В изолирующем слое будет перепад температур

U—12

при температуре окружающей среды t3. При непрерывном

и рав­

жающей средой,

окружена

металлической заземленной оболочкой.

Ясно, что в диэлектрике произойдет по­

ляризация.

У полярного

диэлектрика

на

каждый его диполь будет действовать элек­

трическое поле. Если при тепловых колеба­

ниях постоянные диполи окажутся поверну­

тыми по отношению к направлению поля

на некоторый угол (рис. 10-3), то возник­

нет

пара

сил

4,

стремящихся

ограничить

амплитуду

колебаний этих диполей. При

таком ограничении передача тепла от

стержня должна

несколько

тормозиться.

Из электродинамики известно, что в ди­

электрике,

помещенном

в электрическое

Р и с. 10-3.

С х ем а

р а с п о ­

неоднородное поле, возникает пондермотор-

л о ж е н и я

н а гр ев а ем о г о

ная

сила,

стремящаяся

переместить

ди­

м етал л и ч еск о го

ст ер ж н я

электрик

в

область наибольшей напря­

вн утри

п ол я р н о го

д и ­

женности поля. Эта сила,

отнесенная к еди­

эл ек три к а

при

н а л о ж е ­

нии п о ст о я н н о го эл ек т р и ­

нице объема,