Диэлектрики

SA. Проводники и диэлектрики

Диэлектрики

  • Проводниками называются вещества, по которым могут свободно перемещаться электрические заряды. Термин «проводник» является переводом с английского слова сonductor, который ввел Ж.Т.Дезагюлье в 1739 г. для обозначения «тел, действующих как каналы для транспорта электрической силы».

Проводниками являются металлы, электролиты (растворы, проводящие ток) плазма.

В металлах носителями зарядов являются свободные электроны, в электролитах – положительные и отрицательные ионы, в плазме – свободные электроны и ионы.

У большинства металлов практически каждый атом теряет электрон и становится положительным ионом. Например, у меди в 1 м3 свободных электронов 1029. Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном беспорядочном движении. Скорость такого движения примерно равна 105 м/с (100 км/с).

Не смотря на наличие внутри тела зарядов (свободных электронов и ионов), электрического поля внутри проводника нет. Отдельные заряженные частицы создают микроскопические поля. Но эти поля внутри проводника в среднем компенсируют друг друга (рис. 1).

  • Если бы это условие не выполнялось, то свободные заряды, под действием кулоновских сил, пришли бы в движение. Они двигались бы до тех пор, пока действующая на них сила не обратилась бы в нуль.

Поместим незаряженный проводник, например, металл, в однородное электростатическое поле с напряженностью (~vec E_0). На свободные электроны начинают действовать электрические силы (vec F), под действием которых электроны приходят в движение (рис. 2). Продолжая беспорядочное движение, электроны начинают смещаться в сторону действия силы (скорость смещения порядка 0,1 мм/с).

На одной поверхности проводника образуется область с недостатком электронов, на противоположной – с избытком электронов. Это приводит к появлению еще одного электрического поля с напряженностью ( vec E_{np}) (рис. 3).

Общая напряженность ( vec E) электрического будет равна

( vec E = vec E_0 + vec E_{np}, ;; E = E_0 — E_{np}.)

Электрическая сила (F), действующая на свободные электроны с зарядом q:

(F = q cdot E.)

По мере смещения электронов, заряд на поверхности увеличивается. Это приводит к увеличению напряженности (E_{np}) и уменьшению общей напряженности (E) (т.к. (E = E_0 — E_{np})). И в какой-то момент напряженность (E_{np}) становится равной напряженности внешнего поля (E_0), т.е. (E_{np} = E_0), и общая напряженность поля внутри проводника становится равной нулю.

Электрическая сила (F) в этот момент также становится равной нулю, электроны перестают смещаться, но беспорядочное движение не прекращается. На поверхности проводника остаются электрические заряды.

Явление возникновения электрических зарядов на поверхности проводника под воздействием электрического поля называется электростатической индукцией, а возникшие заряды – индуцированными.

  • Доля электронов, которые оказались на поверхности, очень мала. Например, если к медной пластинке толщиной в 1 см приложить напряжение в 1000 В, то эта доля составляет 10–10 % от всех свободных электронов.

Каким бы способом ни был заряжен проводник, внутри него поле отсутствует. Это позволяет использовать заземленные полые проводники со сплошными или сетчатыми стенками для электростатической защиты от внешних электростатических полей. Так, например, для защиты военных складов, служащих для хранения взрывчатых веществ, от удара молнии их окружают заземленной проволочной сетью.

  • Впервые явление электростатической защиты было обнаружено М.Фарадеем в 1836 году. Он провел интересный опыт. Большая деревянная клетка была оклеена тонкими листами олова, изолирована от земли и сильно заряжена. В клетке находился сам Фарадей с очень чувствительным электроскопом. Несмотря на то, что при приближении к клетке тел, соединенных с землей, проскакивали искры, внутри клетки электрическое поле не обнаруживалось.

Диэлектрики в электростатическом поле

  • Диэлектрики (изоляторы) — это вещества, в которых практически отсутствуют свободные носители зарядов. Термин «диэлектрик» происходит от греческого слова dia — через, сквозь и английского слова electric — электрический. Этот термин ввел М. Фарадей в 1838 г. для обозначения веществ, в которые проникает электрическое поле.

Резкой границы между проводниками и диэлектриками нет, так как все вещества в той или иной степени способны проводить электрический ток.

Но если в веществе свободных зарядов в 1015-1020 раз меньше, чем в металлах, то в таких случаях слабой проводимостью вещества можно пренебречь и считать его идеальным диэлектриком.

Почти все заряженные частицы внутри диэлектрика связаны между собой и не способны передвигаться по объему тела. Они могут только незначительно смещаться относительно своих равновесных положений.

Диэлектриками являются все неионизированные газы, многие чистые жидкости (дистиллированная вода, масла, бензины) и твердые тела (пластмассы, стекла, керамика, кристаллы солей, сухая древесина).

Существуют полярные и неполярные диэлектрики.

Неполярный диэлектрик

Рассмотрим схему простейшего атома – атома водорода (рис. 4).

Положительный заряд атома, заряд его ядра, сосредоточен в центре атома. Вокруг ядра движется электрон со скоростью порядка 106 м/с и уже за 10–9 с успевает совершить миллион оборотов.

Поэтому орбиту электрона можно рассматривать как электронное облако, расположенное симметрично относительно ядра.

Следовательно, даже за очень малый промежуток времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т.е. совпадает с положительно заряженным ядром.

  • Диэлектрики, состоящие из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, называются неполярными.

Примерами таких веществ являются одноатомные благородные (инертные) газы; газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул (кислород, водород, азот); различные органические жидкости (масла, бензины); некоторые твердые тела (пластмассы).

Поместим такой диэлектрик в однородное электростатическое поле с напряженностью (vec E_0) .

На отрицательно и положительно заряженные частицы начинают действовать силы, направленные в противоположные стороны (рис. 5).

В результате молекула растягивается и происходит незначительное смещение центров положительного и отрицательного зарядов.

Образуется система двух точечных зарядов q, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 6). Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электрическим диполем.

Электрический диполь создает электрическое поле напряженностью Едi, которая направлена против напряженности внешнего поля Е0.

В диэлектрике, состоящем из множества таких диполей, с напряженность Едi, общая напряженность Е становится меньше напряженности внешнего поля Е0 (рис. 7).

Вследствие смещения зарядов на одной поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а на другой – положительные (рис. 8). Внутри любого объема диэлектрика суммарный электрический заряд молекул в этом объеме равен нулю.

  • Заряды, которые образуются на поверхности диэлектрика, помещенного в электрическое поле, называются связанными.
  • Смещение связанных положительных и отрицательных зарядов диэлектрика в противоположные стороны под действием приложенного внешнего электростатического поля называют поляризацией.
  • Поляризация диэлектрика, в результате которой происходит смещение электронных оболочек, называется электронной поляризацией.

Электронная поляризация происходит в атомах любого диэлектрика, помещенного в электрическое поле.

Полярный диэлектрик

Многие диэлектрики (H2O, H2S, NO2) образованы из молекул, каждая из которых является электрическим диполем и в отсутствии внешнего электрического поля. Такие молекулы и образованные ими диэлектрики называются полярными.

Например, молекула поваренной соли NaCl. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков. Центр положительного заряда молекулы приходится на ион натрия (Na), а отрицательного – на ион хлора (Cl) (рис. 9).

При отсутствии внешнего поля молекулярные диполи из-за теплового движения расположены хаотично, поэтому их суммарный дипольный момент равен нулю.

https://www.youtube.com/watch?v=BcN-08nLOXs

Поместим полярный диэлектрик в однородное электростатическое поле с напряженностью (vec E_0) . Со стороны этого поля на диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю и противоположные по направлению.

Эти силы создают вращающий момент, стремящийся повернуть диполь так, чтобы его ось была направлена по линии напряженности поля (рис. 10). Но этому препятствует тепловое движение.

В результате молекула поворачивается лишь частично (рис. 11).

  • Рис. 10
  • Рис. 11

Поворот электрических диполей приводит к появлению еще одного электрического поля с напряженностью Едi, которая направлена против напряженности внешнего поля Е0. В таком диэлектрике общая напряженность Е становится меньше напряженности внешнего поля Е0.

Вследствие поворота молекул на одной поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а на другой – положительные (см. рис. 11). Такие заряды называются связанные.

Внутри диэлектрика отрицательные и положительные заряды диполей компенсируют друг друга и средний электрический заряд диэлектрика равен нулю.

  • Такой механизм поляризации называется ориентационным.
  • Полная ориентация диполей (состояние насыщения) может быть достигнута лишь в сильных полях при температурах, близких к абсолютному нулю.
  • Для насыщение при комнатных температурах необходимы поля напряженностью 1010 – 1012 В/м. Но чаще всего, даже при значительно меньших напряженностях, наступает пробой диэлектрика.

У полярных диэлектриков, наряду с ориентационной поляризацией, наблюдается и электронная поляризация. Однако эффект ориентации диполей на несколько порядков превосходит эффект смещения зарядов, поэтому последним часто пренебрегают.

Диэлектрическая проницаемость

Таким образом, во всех диэлектриках, помещенных в электростатическое поле, происходит уменьшение напряженности этого поля. Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика. Для характеристики электрических свойств диэлектриков вводится особая величина, называемая диэлектрической проницаемостью.

  • Диэлектрическая проницаемость ε — это физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля E0 в вакууме к модулю напряженности электростатического поля Ε внутри однородного диэлектрика

(~varepsilon = dfrac{E_0}{E} .)

Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Диэлектрическая проницаемость

Веществоε Веществоε
Бензин 2,0 Масло 2,5
Вакуум, воздух 1,0 Парафин 2,0
Вода дистиллированная 81 Резина 4,5
Дерево сухое 2,9 Спирт 26
Капрон 4,3 Стекло 7,0
Керосин 2,1 Фарфор 5,6
Лед 70 Эбонит 3,1

В диэлектриках при расчете кулоновских сил, напряженностей и потенциалов полей необходимо учитывать ослабление электрического поля в ε раз. Например,

(F=dfrac{kcdot left|q_{1}
ight|cdot left|q_{2}
ight|}{varepsilon cdot r{2} } ,, , , E=dfrac{kcdot left|q
ight|}{varepsilon cdot r{2} } ,, , , varphi =dfrac{kcdot q}{varepsilon cdot r}.)

Диэлектрики

Диэлектрики
Определение 1

Диэлектриками называют вещества, не обладающие способностью проводить электрический ток.

Стоит отметить, что данное определение лишь приблизительно выражает физический смысл приведенного понятия.

Абсолютных изоляторов, то есть веществ, которые совсем не проводят ток, в природе не существует. Диэлектрики по сравнению с проводниками в 1015−1020 раз хуже проводят ток. Данный факт основывается на том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.

Что такое диэлектрики и их примеры

Определение 2

Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то, как диэлектрик, так и само поле значительно изменятся.

В диэлектриках, в которых до контакта с полем не было заряда, возникают электрические заряды.

Это явление объясняется процессом поляризации вещества, другими словами, в поле диэлектрик обретает электрические полюсы. Возникающие при этом заряды называются поляризационными.

Разделить такие заряды невозможно, чем они существенно отличаются от индукционных зарядов в проводниках.

Данное отличие основывается на том факте, что в металлах присутствуют электроны, имеющие возможность перемещаться на относительно большие расстояния.

В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой, и их перемещение ограничено пределами одной молекулы, что является крайне малым расстоянием.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из закрепленных в положении равновесия, к примеру, в узлах кристаллической решетки заряженных ионов. Ионные кристаллические решетки могут быть разбиты на, в целом, нейтральные «элементарные ячейки».

Действие электрического поля на заряды, принадлежащие диэлектрику, провоцирует лишь легкое смещение относительно изначального положения, тогда как заряды проводников, испытывающие такое же влияние, срываются с места.

В условиях отсутствующего электрического поля диэлектрик может быть условно представлен в виде совокупности молекул, в каждой из которых положительные и отрицательные заряды равные по величине распределены по всему объему вещества.

Определение 3

В процессе поляризации заряды каждой отдельной молекулы диэлектрика смещаются в противоположные ее стороны. Соответственно, одна часть молекулы становиться положительно заряженной, а другой — отрицательно, что, в общем, дает возможность заявить: молекула превращается в электрический диполь.

Равнодействующая электрических сил, в однородном поле оказывающих влияние на нейтральную молекулу диэлектрика, эквивалентна нулю. Этот факт основывается на том, что центр тяжести молекулы не передвигается ни в одну из сторон. Молекула просто претерпевает деформирование.

Определение 4

Существуют такие диэлектрики, в которых в условиях отсутствующего электрического поля молекулы имеют дипольный момент (полярные молекулы).

В случае, когда поле отсутствует, такие молекулы, принимающие непосредственное участие в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. Если же диэлектрик находится в поле, молекулы, в основном, ориентируются по его направлению. Соответственно, диэлектрик проходит процесс поляризации.

Определение 5

У симметричных молекул, таких как, к примеру, O2, N2, в отсутствие поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов одинаковы.

По этой причине собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы).

У несимметричных же молекул (возьмем в качестве примера H2O, CO) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и носят название полярных.

Также существуют диэлектрические или же ионные кристаллы, которые формируются при помощи ионов с противоположным знаком. Такой кристалл состоит из пары “вдвинутых” друг в друга кристаллических решеток, одна из которых является положительной, а вторая — отрицательной.

В целом кристалл условно можно принять за подобие гигантской молекулы. Процесс наложения электрического поля провоцирует сдвиг одной решеток относительно друг друга, вследствие чего и происходит поляризация ионных кристаллов. Существует также тип поляризованных без участия поля кристаллов.

При дальнейшем исследовании поведения диэлектриков в электрических полях механизм возникновения поляризации значения иметь не будет. Существенным фактом является только то, что поляризация диэлектрика происходит через появление некомпенсированных макроскопических зарядов.

Значения объемной плотность зарядов (ρ) и поверхностной плотности (σ) неполяризованного диэлектрика равняются нулю. После же процесса поляризации σ≠0, а в некоторых случаях и ρ≠0. Поляризация приводит к появлению в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов с одним знаком.

В том случае, если ортогональная или же перпендикулярная часть напряженности поля En→≠0 на приведенном участке, то в результате влияния поля заряды с одним знаком уходят внутрь, а с другим, наоборот, выходят наружу.

Вектор поляризации диэлектрика

Определение 6

Поляризованность P→ или, другими словами, вектор поляризованности характеризует степень поляризации диэлектрика:

P→=∆ρ→∆V,

где ∆ρ представляет собой дипольный момент элемента диэлектрика.

Определение 7

В условиях неполярных молекул вектор поляризованности может быть определен в следующем виде:

P→=1∆V∑∆Vρi→=Nρ0→,

где сложение идет относительно всех молекул в объеме △V. N — концентрация молекул,
ρ0→ является индуцированным дипольным моментом (Он один и тот же у всех молекул). ρ0→↑↑E→.

Определение 8

Формула поляризованности в условиях полярных молекул принимает вид следующего выражения:

P→=1∆V∑∆Vρi→=Np→,

в котором P→ представляет собой среднее значение дипольных моментов, которые равнозначны по модулю, но обладают разными направлениями.

В изотропных диэлектриках средние дипольные моменты по направлению идентичны напряженности внешнего электрического поля. У диэлектриков с молекулами полярного типа, вклад в поляризованность от наведенных зарядов значительно ниже вклада от переориентации поля.

Определение 9

Ионная решеточная поляризации может быть описана следующей формулой: P→=1∆V∑∆Vρi→=Np→.

В большей части случаев подобная поляризация является анизотропной.

Пример 1

Если представить плоский конденсатор, который заполнен диэлектриком так, как это проиллюстрировано на рисунке 1, то на принадлежащей ему левой обкладке расположен положительный заряд, а на правой — отрицательный.

По причине того факта, что разноименные заряды притягиваются друг к другу, у положительной обкладки на поверхности диэлектрика появится отрицательный заряд, а у правой, то есть отрицательной – положительный заряд диэлектрика.

Выходит, что поле, формирующееся поляризационными зарядами, имеет противоположное направлению поля направление, которое создают обкладки, соответственно, диэлектрик ослабляет поле.

Рисунок 1

+q,−q представляют собой заряды на обкладках конденсатора.

E→ является напряженностью поля, которое формируется обкладками конденсатора.

−q′, +q′- это заряды диэлектрика.

E→' — напряженность поля, которое создается как результат поляризации диэлектрика.

Явление влияния вещества на магнитное и электрическое поля было эмпирическим путем открыто Фарадеем. Именно этим ученым было в науку были введены такие термины, как диэлектрик и диэлектрическая постоянная.

Теорема 1

В случае если однородный изотропный диэлектрик полностью заполняет собой объем, ограниченный эквипотенциальными поверхностями поля сторонних зарядов, то напряженность поля внутри него в ε раз меньше напряженности поля сторонних зарядов.

E→'=E→ε,

где ε определяет диэлектрическую проницаемость среды.

Напряженность поля точечного заряда, который расположен в диэлектрике с некоторой диэлектрической проницаемостью ε, может быть выражена в виде следующего выражения:

E→=14πεε0qr3r→.

Закон Кулона для зарядов, находящихся в жидком и газообразном диэлектрике принимает такой вид:

F→=14πεε0q1q2r3r→.

Пример 2

Задание: Бесконечную плоскую пластину из однородного изотропного диэлектрика разместили в однородном электростатическом поле с напряженностью E=200 Вм, направленной под прямым углом силовым линиям поля. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика равняется 2. Какова напряженность поля внутри диэлектрика?

Решение

Поле в вакууме в ε раз сильнее, чем поле в диэлектрике, по этой причине запишем, что:

E→'=E→ε.

Произведем некоторые расчеты:

E→'=2002=100 Вм.

Ответ: Напряженность поля в пластине будет 100 Вм.

Пример 3

Задание: Заряженные шарики обладают массойm1=m2=m. Они подвешены на нитях, имеющих одинаковые значения длины, в одной точке, их заряды эквивалентны q1 и q2( смотри рисунок 1).

Изначально они располагаются в воздухе (диэлектрическая проницаемость ε1), после этого погружаются в жидкость ε2.

Каково отношение диэлектрических проницаемостей ε2ε1, если при погружении в жидкость системы из шариков угол расхождения нитей не претерпел изменений? Отношение плотности шариков к плотности диэлектрика ρshρd=b.

Решение

Рисунки 2 и 3

Запишем условие равновесия шарика в симметричной системе в воздухе:

Fe1→+mg→+N1→=0.

Теперь выразим условие равновесия одного шарика в жидкости:

Fe2→+mg→+N2→+FA→=0.

Запишем проекции уравнения Fe1→+mg→+N1→=0 на оси:

Ох: Fe1-N1sina2=0,

Oy: mg-N1cosα2=0.

Проекции уравнения Fe2→+mg→+N2→+FA→=0 на оси:

Ох: Fe2-N2sinα2=0,

Oy: mg-N2cosα2-FA=0.

Берем отношение уравнения Fe1-N1sina2=0 и mg-N1cosa2=0, в качестве результата получаем:

tga2=Fe1mg.

Уравнение Fe2-N2sina2=0 на уравнение mg-N2cosa2-FA=0, получаем:

tga2=Fe2mg-FA→Fe1mg=Fe2mg-FA.

Основываясь на законе Кулона, запишем такое выражения для Fe1, Fe2:

Fe1=q1q24πε1ε0r2 и Fe2=q1q24πε2ε0r2.

Модуль силы Архимеда равняется следующему выражению:

FA=ρdVg=ρdmρshg.

Подставим в уравнение tga2=Fe2mg-FA→Fe1mg=Fe2mg-FA уравнения  Fe1=q1q24πε1ε0r2 и

Fe2=q1q24πε2ε0r2, в результате получим:

q1q24πε1ε0r2mg=q1q24πε2ε0r2mg-ρdmρshg→1ε11=1ε21-ρdρsh→ε2ε1=11-ρdρsh=11-b.

Ответ: Диэлектрическая проницаемость жидкости должна быть ε2e1=11-b.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Диэлектрик — что такое? Свойства диэлектриков

Диэлектрики

Диэлектрик — это материал или вещество, которое практически не пропускает электрический ток. Такая проводимость получается вследствие небольшого количества электронов и ионов. Данные частицы образуются в не проводящем электрический ток материале только при достижении высоких температурных свойств. О том, что такое диэлектрик и пойдёт речь в этой статье.

Описание

Каждый электронный или радиотехнический проводник, полупроводник или заряженный диэлектрик пропускает через себя электрический ток, но особенность диэлектрика в том, что в нем даже при высоком напряжении свыше 550 В будет протекать ток малой величины. Электрический ток в диэлектрике — это движение заряженных частиц в определённом направлении (может быть положительным и отрицательным).

Виды токов

В основе электропроводимости диэлектриков лежат:

  • Токи абсорбционные – ток, который протекает в диэлектрике при постоянном токе до тех пор, пока не достигнет состояния равновесия, изменяя направление при включении и подаче на него напряжения и при отключении. При переменном токе напряжённость в диэлектрике будет присутствовать в нём всё время, пока находится в действии электрического поля.
  • Электронная электропроводность – перемещение электронов под действием поля.
  • Ионная электропроводность – представляет собой движение ионов. Находится в растворах электролитов – соли, кислоты, щёлочь, а так же во многих диэлектриках.
  • Молионная электропроводность – движение заряженных частиц, называемых молионами. Находится в коллоидных системах, эмульсиях и суспензиях. Явление движения молионов в электрическом поле называется электрофорезом.

Электроизоляционные материалы классифицируют по агрегатному состоянию и химической природе. Первые делятся на твёрдые, жидкостные, газообразные и затвердевающие. По химической природе делятся на органику, неорганику и элементоорганические материалы.

Электропроводимость диэлектриков по агрегатному состоянию:

  • Электропроводимость газов. У газообразных веществ достаточно малая проводимость тока. Он может возникать при наличии свободных заряженных частиц, что появляется из-за воздействия внешних и внутренних, электронных и ионных факторов: излучение рентгена и радиоактивного вида, соударение молекул и заряженных частиц, тепловые факторы.
  • Электропроводимость жидкого диэлектрика. Факторы зависимости: структура молекулы, температура, примеси, присутствие крупных зарядов электронов и ионов. Электропроводимость жидких диэлектриков во многом зависит от наличия влаги и примесей. Проводимость электричества полярных веществ создаётся ещё при помощи жидкости с диссоциированными ионами. При сравнении полярных и неполярных жидкостей, явное преимущество в проводимости имеют первые. Если очистить жидкость от примесей, то это поспособствует уменьшению её проводимых свойств. При росте проводимости жидкого вещества и его температуры возникает уменьшение её вязкости, приводящее к увеличению подвижности ионов.
  • Твёрдые диэлектрики. Их электропроводимость обуславливается как перемещение заряженных частиц диэлектрика и примесей. В сильных полях электрического тока выявляется электропроводимость.

Физические свойства диэлектриков

При удельном сопротивлении материала равном меньше 10-5 Ом*м их можно отнести к проводникам. Если больше 108 Ом*м — к диэлектрикам. Возможны случаи, когда удельное сопротивление будет в разы больше сопротивления проводника. В интервале 10-5-108 Ом*м находится полупроводник. Металлический материал — отличный проводник электрического тока.

Из всей таблицы Менделеева только 25 элементов относятся к неметаллам, причём 12 из них, возможно, будут со свойствами полупроводника.

Но, разумеется, кроме веществ таблицы, существует ещё множество сплавов, композиций или химических соединений со свойством проводника, полупроводника или диэлектрика.

Исходя из этого, трудно провести определённую грань значений различных веществ с их сопротивлениями. Для примера, при пониженном температурном факторе полупроводник станет вести себя подобно диэлектрику.

Применение

Использование не проводящих электрический ток материалов очень обширно, ведь это один из популярно используемых классов электротехнических компонентов. Стало достаточно ясно, что их можно применять благодаря свойствам в активном и пассивном виде.

В пассивном виде свойства диэлектриков используют для применения в электроизоляционном материале.

В активном виде они используются в сегнетоэлектрике, а также в материалах для излучателей лазерной техники.

Основные диэлектрики

К часто встречающимся видам относятся:

  • Стекло.
  • Резина.
  • Нефть.
  • Асфальт.
  • Фарфор.
  • Кварц.
  • Воздух.
  • Алмаз.
  • Чистая вода.
  • Пластмасса.

Что такое диэлектрик жидкий?

Поляризация данного вида происходит в поле электрического тока. Жидкостные токонепроводящие вещества используются в технике для заливки или пропитки материалов. Есть 3 класса жидких диэлектриков:

Нефтяные масла – являются слабовязкими и в основном неполярными. Их часто используют в высоковольтных аппаратурах: масло трансформаторное, высоковольтные воды. Масло трансформаторное — это неполярный диэлектрик.

Кабельное масло нашло применение в пропитке изоляционно-бумажных проводов с напряжением на них до 40 кВ, а также покрытий на основе металла с током больше 120 кВ. Масло трансформаторное по сравнению с конденсаторным имеет более чистую структуру.

Данный вид диэлектрика получил широкое распространение в производстве, несмотря на большую себестоимость по сравнению с аналоговыми веществами и материалами.

Что такое диэлектрик синтетический? В настоящее время практически везде он запрещён из-за высокой токсичности, так как производится на основе хлорированного углерода.

А жидкий диэлектрик, в основе которого кремний органический, является безопасным и экологически чистым. Данный вид не вызывает металлической ржавчины и имеет свойства малой гигроскопичности.

Существует разжиженный диэлектрик, содержащий фторорганическое соединение, которое особо популярно из-за своей негорючести, термических свойств и окислительной стабильности.

И последний вид, это растительные масла. Они являются слабо полярными диэлектриками, к ним относятся льняное, касторовое, тунговое, конопляное.

Касторовое масло является сильно нагреваемым и применяется в бумажных конденсаторах. Остальные масла — испаряемые.

Выпаривание в них обуславливается не естественным испарением, а химической реакцией под названием полимеризация. Активно применяется в эмалях и красках.

Заключение

В статье было подробно рассмотрено, что такое диэлектрик. Были упомянуты различные виды и их свойства. Конечно, чтобы понять всю тонкость их характеристик, придётся более углубленно изучить раздел физики о них.

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

Диэлектрики
В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

G=1/R

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах.

Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой.

Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия.

В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться.

Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток.

Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники.

Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

ДИЭЛЕ́КТРИКИ

Диэлектрики

Авторы: А. П. Леванюк, Д. Г. Санников

ДИЭЛЕ́КТРИКИ, ве­ще­ст­ва, пло­хо про­во­дя­щие элек­трич. ток. Тер­мин «Д.» вве­дён М. Фа­ра­де­ем для обо­зна­че­ния ве­ществ, в ко­то­рые про­ни­ка­ет элек­тро­ста­тич. по­ле. При по­ме­ще­нии в элек­трич. по­ле лю­бо­го ве­ще­ст­ва элек­тро­ны и атом­ные яд­ра ис­пы­ты­ва­ют си­лы со сто­ро­ны это­го по­ля.

В ре­зуль­та­те часть за­ря­дов на­прав­лен­но пе­ре­ме­ща­ет­ся, соз­да­вая элек­трич. ток. Ос­таль­ные же за­ря­ды пе­ре­рас­пре­де­ля­ют­ся так, что «цен­тры тя­же­сти» по­ло­жи­тель­ных и от­ри­ца­тель­ных за­ря­дов сме­ща­ют­ся от­но­си­тель­но друг дру­га. В по­след­нем слу­чае го­во­рят о по­ля­ри­за­ции ве­ще­ст­ва.

В за­ви­си­мо­сти от то­го, ка­кой из этих двух про­цес­сов (по­ля­ри­за­ция или элек­трич. про­во­ди­мость) пре­об­ла­да­ет, ве­ще­ст­ва де­лят на Д. (все не­ио­ни­зо­ван­ные га­зы, не­ко­то­рые жид­ко­сти и твёр­дые те­ла) и про­вод­ни­ки (ме­тал­лы, элек­тро­ли­ты, плаз­ма). Элек­трич. про­во­ди­мость Д. по срав­не­нию с ме­тал­ла­ми очень ма­ла.

Удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние Д. 108–1017 Ом·см, ме­тал­лов – 10–6–10–4 Ом·см.

Ко­ли­че­ст­вен­ное раз­ли­чие в элек­трич. про­во­ди­мо­сти Д. и ме­тал­лов клас­сич. фи­зи­ка пы­та­лась объ­яс­нить тем, что в ме­тал­лах есть сво­бод­ные элек­тро­ны, в то вре­мя как в Д. все элек­тро­ны свя­за­ны (при­над­ле­жат отд. ато­мам) и элек­трич. по­ле не от­ры­ва­ет, а лишь слег­ка сме­ща­ет их.

Кван­то­вая тео­рия твёр­до­го те­ла объ­яс­ня­ет раз­ли­чие элек­трич. свойств ме­тал­лов и Д. разл. рас­пре­де­ле­ни­ем элек­тро­нов по энер­ге­тич. уров­ням. В Д. верх­ний за­пол­нен­ный элек­тро­на­ми энер­ге­тич.

уро­вень сов­па­да­ет с верх­ней гра­ни­цей од­ной из раз­ре­шён­ных зон (в ме­тал­лах он ле­жит внут­ри раз­ре­шён­ной зо­ны), а бли­жай­шие сво­бод­ные уров­ни от­де­ле­ны от за­пол­нен­ных за­пре­щён­ной зо­ной, пре­одо­леть ко­то­рую под дей­ст­ви­ем не слиш­ком силь­ных элек­трич. по­лей элек­тро­ны не мо­гут (см. Зон­ная тео­рия).

Дей­ст­вие элек­трич. по­ля сво­дит­ся к пе­ре­рас­пре­де­ле­нию элек­трон­ной плот­но­сти, ко­то­рое при­во­дит к по­ля­ри­за­ции ди­элек­три­ка.

Поляризация диэлектриков

Ме­ха­низ­мы по­ля­ри­за­ции Д. за­ви­сят от ха­рак­те­ра хи­мич. свя­зи, т. е. рас­пре­де­ле­ния элек­трон­ной плот­но­сти в Д. В ион­ных кри­стал­лах (напр.

, NaCl) по­ля­ри­за­ция яв­ля­ет­ся ре­зуль­та­том сдви­га ио­нов от­но­си­тель­но друг дру­га (ион­ная по­ля­ри­за­ция), а так­же де­фор­ма­ции элек­трон­ных обо­ло­чек отд. ио­нов (элек­трон­ная по­ля­ри­за­ция), т. е. сум­мой ион­ной и элек­трон­ной по­ля­ри­за­ций. В кри­стал­лах с ко­ва­лент­ной свя­зью (напр.

, ал­маз), где элек­трон­ная плот­ность рав­но­мер­но рас­пре­де­ле­на ме­ж­ду ато­ма­ми, по­ля­ри­за­ция обу­слов­ле­на гл. обр. сме­ще­ни­ем элек­тро­нов, осу­ще­ст­в­ляю­щих хи­мич. связь. В т. н. по­ляр­ных Д. (напр., твёр­дый H2S) груп­пы ато­мов пред­став­ля­ют со­бой элек­трич.

ди­по­ли, ко­то­рые ори­ен­ти­ро­ва­ны хао­ти­че­ски в от­сут­ст­вии элек­трич. по­ля, а в по­ле при­об­ре­та­ют пре­иму­ще­ст­вен­ную ори­ен­та­цию. Та­кая ори­ен­та­ци­он­ная по­ля­ри­за­ция ти­пич­на для мн. жид­ко­стей и га­зов. По­хо­жий ме­ха­низм по­ля­ри­за­ции cвязан с «пе­ре­ско­ком» под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля отд.

ио­нов из од­них по­ло­же­ний рав­но­ве­сия в ре­шёт­ке в дру­гие. Осо­бен­но час­то та­кой ме­ха­низм на­блю­да­ет­ся в ве­ще­ст­вах с во­до­род­ной свя­зью (напр., лёд), где ато­мы во­до­ро­да име­ют неск. по­ло­же­ний рав­но­ве­сия.

По­ля­ри­за­ция Д. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся век­то­ром по­ля­ри­за­ции $oldsymbol P$, ко­то­рый пред­став­ля­ет со­бой элек­трич. ди­поль­ный мо­мент еди­ни­цы объ­ё­ма Д.:$$oldsymbol P=sumlimitsN_{i=1}oldsymbol P_i$$ где $p_i$ – ди­поль­ные мо­мен­ты час­тиц (ато­мов, ио­нов, мо­ле­кул), $N$ – чис­ло час­тиц в еди­ни­це объ­ё­ма.

Век­тор $oldsymbol P$ за­ви­сит от на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля $oldsymbol E$. В сла­бых по­лях $oldsymbol P=ε_0ϰoldsymbol E$. Ко­эф. про­пор­цио­наль­но­сти $ϰ$ на­зы­ва­ет­ся ди­элек­трической вос­при­им­чи­во­стью. Час­то вме­сто век­то­ра $oldsymbol P$ ис­поль­зу­ют век­тор элек­трич.

ин­дук­ции $$oldsymbol D=ε_0oldsymbol E+oldsymbol P=ε_0εoldsymbol E ext{ (в СИ)}, ag1$$где $ε$  – ди­элек­три­че­ская про­ни­цае­мость, $ε_0$ – элек­три­че­ская по­сто­ян­ная. Ве­ли­чи­ны $ϰ$ и $ε$ – осн. ха­рак­те­ри­сти­ки Д. В ани­зо­троп­ных Д. (напр.

, в не­ку­би­че­ских кри­стал­лах) на­прав­ле­ние $oldsymbol P$ оп­ре­де­ля­ет­ся не толь­ко на­прав­ле­ни­ем по­ля $oldsymbol E$, но и на­прав­ле­ни­ем осей сим­мет­рии кри­стал­ла. По­это­му век­тор $oldsymbol P$ бу­дет со­став­лять разл. уг­лы с век­то­ром $oldsymbol E$ в за­ви­си­мо­сти от ори­ен­та­ции $oldsymbol E$ по от­но­шению к осям сим­мет­рии кри­стал­ла.

В этом слу­чае век­тор $oldsymbol D$ бу­дет оп­ре­де­лять­ся че­рез век­тор $oldsymbol E$ с по­мо­щью не од­ной ве­ли­чи­ны $ε$, а не­сколь­ких (в об­щем слу­чае шес­ти), об­ра­зую­щих тен­зор ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти.

Диэлектрики в переменном поле

Ес­ли по­ле $oldsymbol E$ из­ме­ня­ет­ся во вре­ме­ни $t$, то по­ля­ри­за­ция Д. не ус­пе­ва­ет сле­до­вать за ним, т. к. сме­ще­ния за­ря­дов не мо­гут про­ис­хо­дить мгно­вен­но. По­сколь­ку лю­бое пе­ре­мен­ное по­ле мож­но пред­ста­вить в ви­де со­во­куп­но­сти по­лей, ме­няю­щих­ся по гар­мо­нич. за­ко­ну, то дос­та­точ­но изу­чить по­ве­де­ние Д.

в по­ле $oldsymbol E= E_0sin ωt$, где $ω$ – час­то­та пе­ре­мен­но­го по­ля, $oldsymbol E_0$ – ам­пли­ту­да на­пря­жён­но­сти по­ля. Под дей­ст­ви­ем это­го по­ля $oldsymbol D$ и $oldsymbol P$ бу­дут ко­ле­бать­ся то­же гар­мо­ни­че­ски и с той же час­то­той.

Од­на­ко ме­ж­ду ко­ле­ба­ния­ми $oldsymbol P$ и $oldsymbol E$ по­яв­ля­ет­ся раз­ность фаз $δ$, что вы­зва­но от­ста­ва­ни­ем по­ля­ризации $oldsymbol P$ от по­ля $oldsymbol E$. Гар­мо­нич. за­кон мож­но пред­ста­вить в ком­плекс­ном виде $oldsymbol E=oldsymbol E_0е{iωt},$ то­гда $oldsymbol D=oldsymbol D_0е{iωt},$ причём $oldsymbol D_0=ε(ω)oldsymbol E_0$.

Ди­элек­трич. про­ни­цае­мость в этом слу­чае яв­ля­ет­ся ком­плекс­ной ве­ли­чи­ной: $ε(ω)=ε′+iε″;$ $ε′$ и $ε″$ за­ви­сят от час­то­ты пе­ре­мен­но­го элек­трич. по­ля $ω$.

Аб­со­лют­ная ве­ли­чи­на $$|ε(ω)|=sqrt {ε′2+ε″2}$$ оп­ре­де­ля­ет ам­пли­ту­ду ко­ле­ба­ния $D$, а от­но­ше­ние $ε′/ε″=mathrm{tg} delta $ – раз­ность фаз ме­ж­ду ко­ле­ба­ния­ми $oldsymbol D$ и $oldsymbol E$. Ве­ли­чи­на $δ$ на­зы­ва­ет­ся уг­лом ди­элек­три­че­ских по­терь. В по­сто­ян­ном элек­трич. по­ле $ω=0, ε″=0, ε′=ε$.

В пе­ре­мен­ных элек­трич. по­лях вы­со­ких час­тот свой­ст­ва Д. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся по­ка­за­те­ля­ми пре­лом­ле­ния $n$ и по­гло­ще­ния $

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть