Диэлектрики - Виды, характеристики и где применяются

Что такое диэлектрики и их примеры

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.

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.

Электрические диэлектрики. Какие они?

Как нас учили в школе, некоторые вещества плохо проводят электрический ток, а некоторые хорошо. Например, дерево очень плохо проводит, а вот алюминий проводит в разы лучше. Так вот, если вспомнить терминологию, то вещества, проводящие электричество хорошо, называются проводниками, а те, что его проводят плохо, называются… Ну как же их? Ах да, они называются электрическими диэлектриками.
Проводники и диэлектрики
Конечно мы не говорим о том, что они совсем ток не проводят, нет. Они, конечно же являются проводниками, просто сравнительно довольно плохими. Диэлектрики с другой стороны еще и вещества, которые могут довольно долго хранить в себе электрическое поле, причем на это не нужна будет внешняя энергия.

Что будет, если воздействовать извне?

Если приложить к электрическому диэлектрику внешнее электрическое поле, то свободные заряды диэлектрика начнут постепенно нейтрализовывать его. Причем, это будет происходить до тех пор, пока не закончатся электроны или результирующее поле не станет равным нулю.

Чтобы понять то какие вещества вообще могут взаимодействовать с электрическими полями, нам нужно разобраться в таком термине, как электропроводность. Если говорить простым языком, то для взаимодействия с электрическим полем у вещества должна быть довольно низкая электропроводность.

Если мы будем говорить точнее, то удельное сопротивление должно быть сравнимо с 1010 Q-см или даже сильно превосходило это значение.

А откуда берется низкая электропроводность?

Как мы знаем из базовой программы по физике, все вещества состоят из атомов. И эти атомы очень активно взаимодействуют друг с другом. У каждого из них есть свой заряд, и благодаря зарядам атомы так или иначе взаимодействуют.

Однако, как же создается такая низкая электропроводность? Вроде же есть атомы, они как-то там взаимодействуют и ток по ним мог бы идти, но не все так просто. Залогом того, чтобы проводимость вещества была низкой, выступает очень важный факт.

Если при наложении поля электроны, ионы и другие частицы не смогут свободно перемещаться или будут это делать очень плохо, то и электропроводность будет низкая, ведь все будет стоять на своих местах и свободным электронам будет просто некуда деться.

Чем отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников

Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:

Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.

И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.

В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона – это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.

Будет интересно➡  NPN транзистор

В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” – запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) – то это диэлектрик, в обратном случае дЭ<3Эв – полупроводник. Именно по этой причине в обычном состоянии полупроводники и диэлектрики не проводят электрический ток.

В данной статье речь далее пойдет только о диэлектриках. И раз уж мы чуть углубились в науку, то поговорим далее о свойствах и величинах, которые характеризуют эти электротехнические материалы в общем.

Таблица: чем отличаются проводники и диэлектрики?

ПроводникДиэлектрик
Наличие свободных электроновПрисутствуют в большом количествеОтсутствуют, или присутствуют, но очень мало
Способность материалов проводить электрический токХорошо проводитНе проводит, или ток незначительно мал
Что происходит при увеличении приложенного напряжениеТок, проходящий через проводник, увеличивается согласно закону ОмаТок, проходящий через диэлектрик изменяется незначительно и, при достижения определенного значения, происходит электрический пробой
МатериалыЗолото, серебро, медь и ее сплавы, алюминий и сплавы, железо и другиеЭбонит, фторопласт, резина, слюда, различные пластмассы, полиэтилен и другие материалы
Сопротивлениеот 10-5 до 10-8 степени Ом/м1010 – 1016 Ом/м
Влияние посторонних примесей на сопротивление материалаПримеси ухудшают свойство проводимости материала, что ухудшает его свойстваПримеси улучшают проводимость материала, что ухудшает его свойства
Изменение свойств при изменении температуры окружающей средыПри увеличении температуры – сопротивление увеличивается, при снижении – уменьшается. При очень низких температурах – сверхпроводимость.При увеличении температуры – сопротивление уменьшается.

Виды и типы диэлектриков

Классификация диэлектриков довольна обширная. Тут встречаются жидкие, твердые и газообразные вещества. Далее они делятся по определенным признакам. Ниже приведена условная классификация диэлектриков с примерами в форме списка.

    Если брать жидкие и газообразные диэлектрики, то основная классификация лежит в вопросе полярности. Разница в симметричности молекул. В полярных молекулы несимметричны, в неполярных – симметричны. Несимметричные молекулы называются диполями. В полярных жидкостях проводимость настолько велика, что их невозможно использовать в качестве изоляционных веществ. Поэтому для этих целей используют неполярные, тоже трансформаторное масло. А наличие полярных примесей даже в сотых долях значительно снижает планку пробоя и негативно сказывается на изоляционных свойствах неполярных диэлектриков.

кристаллы представляют собой нечто среднее между жидкостью и кристаллом, как следует из названия.

Еще популярным вопросом о свойствах и применении жидких диэлектриков будет следующий: вода – диэлектрик или проводник? В чистой дистиллированной воде отсутствуют примеси, которые могли бы вызвать протекание тока. Чистую воду можно создать в лабораторных, промышленных условиях. Эти условия сложны и трудновыполнимы для обычного человека. Есть простой способ проверить проводит ли дистиллированная вода ток.

Создать электрическую цепь (источник тока – провод – вода – провод – лампочка – другой провод – источник тока), в которой одним из участков для протекания тока будет сосуд с дистиллированной водой. При включении схемы в работу, лампочка не загорится – следовательно ток не проходит. Ну а если загорится, значит вода с примесями.

Поэтому любая вода, которую мы встречаем: из крана, в озере, в ванной – будет проводником за счет примесей, которые создают возможность для протекания тока. Не купайтесь в грозу, не работайте влажными руками с электричеством. Хотя чистая дистиллированная вода – полярный диэлектрик.

Для твердых диэлектриков классификация в основном лежит в вопросе активности и пассивности что ли. Если свойства постоянны, то диэлектрик используют в качестве изоляционного материала, то есть он пассивен. Если свойства меняются, в зависимости от внешних воздействий (тепло, давление), то этот диэлектрик применяют для других целей. Бумага является диэлектриком, если вода пропитана водой – то ток проводится и она проводник, если бумага пропитана трансформаторным маслом – то это диэлектрик.

Фольгой называют тонкую металлическую пластину, металл – как известно является проводником. В продаже имеется например ПВХ-фольга, тут слово фольга для наглядности, а слово ПВХ – для понимания смысла – ведь ПВХ это диэлектрик. Хотя в википедии – фольгой называется тонкий лист металла.

Аморфные жидкости – это и смола, и стекло, и битум, и воск. При повышении температуры этот диэлектрик тает, это замороженные вещества – это дикие определения, которые характеризуют лишь одну грань правды.

Поликристаллы – это, как бы сросшиеся кристаллы, объединенные в один кристалл. Например, соль.

Монокристалл – это цельный кристалл, в отличие от вышеупомянутого поликристалла имеющий непрерывную кристаллическую решетку.

Пьезоэлектрики – диэлектрики, у которых при механическом воздействии (растяжении-сжатии), возникает процесс ионизации. Применяется в зажигалках, детонаторах, УЗИ-обследовании.

Пироэлектрики – при изменении температуры в этих диэлектриках происходит самопроизвольная поляризация. Также она происходит при механическом воздействии, то есть пироэлектрики являются еще и пьезоэлектриками, но не наоборот. Примерами служат янтарь и турмалин.

Принцип работы

Движение свободных зарядов обусловливает электропроводность. Требование, чтобы в веществе существовало электрическое поле, может быть сведено к тому, чтобы электропроводность вещества была достаточно мала. Практически можно считать диэлектриком вещество, уд. сопротивление которого > 10 в 10 -й степени Q-см.

Термин диэлектрик является условным: когда вещество подвергается лишь кратковременному воздействию напряжения и поле в диэлектриках существует лишь кратковременно, они могут считаться вещества, обладающие значительно меньшим удельным сопротивлением, чем указано выше, например дестилированная вода. Наоборот, при длительно приложенном постоянном напряжении мы вынуждены в ряде случаев трактовать вещества с указанным выше уд. сопротивлением как проводники.

использование диэлектриков в промышленноссти

Все вещества независимо от агрегатного состояния построены из зарядов, связанных большими или меньшими силами взаимодействия. Чтобы вещество было диэлектриком, т. е..обладало малой электропроводностью, необходимо, чтобы заряды, ионы и электроны, из которых оно построено, при наложении поля не могли свободно перемещаться.

В изолированном атоме энергия электронов может иметь согласно требованиям волновой механики не любые, а лишь определенные дискретные значения W1, W2, W3,… (фигура, а). При соединении атомов в твердую кристаллическую решетку каждый из этих уровней несколько смещается и расщепляется на целый ряд тесно расположенных новых уровней, образующих зону, общую для всего кристалла (фигура, б).

поляризация диэлектриков

В кристаллической решетке энергия электронов может иметь лишь значения, лежащие в пределах зон; значения же энергии, которые соответствуют промежуткам между зонами, для электронов запрещены. Каждая зона согласно принципу Паули может вместить лишь ограниченное количество электронов. Электроны будут стремиться расположиться на возможно более низких энергетических уровнях, однако нижняя зона не сможет их всех вместить, и они заполнят ряд зон.

Если при этом наиболее высокая из тех зон, в которых размещены электроны, будет заполнена ими лишь частично, то находящиеся в этой зоне электроны при наложении поля будут иметь возможность в пределах зоны свободно перемещаться и могут считаться свободными; данное вещество будет хорошо проводить ток (являться проводником). Если же эта наиболее высокая из занятых зон будет заполнена электронами полностью, то электроны не могут смещаться под влиянием поля и должны считаться связанными, — данное вещество является диэлектриком. В случае аморфных твердых веществ, характеризуемых беспорядочным расположением атомов, зоны, общие для всего кристалла, не могут образоваться, поэтому электроны будут лишены возможности перемещаться, и следовательно такое вещество окажется диэлектриком.

Помимо движения электронов необходимо учесть также движение атомов или ионов. Тепловое движение этих частиц будет заключаться в колебаниях около положения равновесия. В наличии окажется однако некоторое количество ионов, энергия теплового движения которых столь велика, что они могут преодолеть связывающие их силы. Эти ионы мы назовем условно «свободными». Такие ионы покинут свои места и перейдут на другие, где их потенциальная энергия, так же как и в местах, откуда они ушли, будет возможно малой. В случае диэлектрика, имеющих кристаллическую решетку с плотной упаковкой, местами, где могут находиться ионы в равновесном состоянии, являются узлы решетки. Перескоки ионов в таких материалах согласно Шоттки могут происходить лишь в том случае, когда некоторое количество узлов решетки с самого начала не занято ионами (в решетке имеются «дырки»). Тепловое движение в этом случае сводится к беспорядочным перескокам ионов с одних узлов решетки на другие.

Будет интересно➡  Принцип работы двухклавишного выключателя

диэлектрики фото

Свойства проводников

Проводники отличаются хорошей электропроводностью. Это связано с наличием у них большого количества свободных электронов не принадлежащих конкретно ни одному из атомов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться.

Большинство проводников имеют малое удельное сопротивление и проводят электрический ток с очень небольшими потерями. В связи с тем, что идеально чистых по химическому составу элементов в природе не существует, любой материал в своем составе содержит примеси. Примеси в проводниках занимают места в кристаллической решетке и, как правило, препятствуют прохождению свободных электронов под действием приложенного напряжения.

Проводник

Примеси ухудшают свойства проводника. Чем больше примесей, тем сильнее они влияю на параметры проводимости.

Хорошими проводниками с малым удельным сопротивлением являются такие материалы:

  • Золото.
  • Серебро.
  • Медь.
  • Алюминий.
  • Железо.

Золото и серебро – хорошие проводники, но из-за высокой стоимости применяются там, где необходимо получить хорошие качественные проводники с малым объемом. Это в основном электронные схемы, микросхемы, проводники высокочастотных устройств у которых сам проводник изготовлен из дешевого материала (медь), который сверху покрыт тонким слоем серебра или золота. Это дает возможности  при минимальном расходе драгоценного металла хорошие частотные характеристики проводника.

Медь и алюминий — более дешевые металлы. При незначительном снижении характеристик этих материалов, их цена на порядки ниже, что дает возможность для их массового применения. Применяют в электронике, в электротехнике. В электронике – это дорожки печатных плат, ножки радиоэлементов, радиаторы и др. В электротехнике очень широко применяется в обмотках двигателей, для прокладки электрических сетей высокого и низкого напряжения, разводку электричества в квартирах, домах, в транспорте.

Параметр проводимости очень сильно зависит от температуры самого материала. При увеличении температуры кристалла, колебания электронов в кристаллической решетке увеличивается, препятствуя свободному прохождению свободных электронов. При снижении – наоборот, сопротивление уменьшается и при некотором значении близком к абсолютному нулю, сопротивление становится нулевым и возникает эффект сверхпроводимости.

Почему диэлектрики не проводят электрический ток

Низкая проводимость обусловлена строением молекул диэлектрика. Частицы вещества тесно связаны друг с другом, не могут покинуть пределы атома и перемещаться по всему объёму материала. Под воздействием электрического поля частицы атома способны слегка расшатываться — поляризоваться.

В зависимости от механизма поляризации, диэлектрические материалы подразделяются на:

  • неполярные — вещества в различном агрегатном состоянии с электронной поляризацией (инертные газы, водород, полистирол, бензол);
  • полярные — обладают дипольно-релаксационной и электронной поляризацией (различные смолы, целлюлоза, вода);
  • ионные — твёрдые диэлектрики неорганического происхождения (стекло, керамика).

Диэлектрические свойства вещества непостоянны. Под воздействием высокой температуры или повышенной влажности электроны отрываются от ядра и приобретают свойства свободных электрических зарядов. Изоляционные качества диэлектрика в этом случае понижаются.

Надёжный диэлектрик — материал с малым током утечки, не превышающим критическую величину и не нарушающим работу системы.

Где применяются диэлектрики и проводники

Материалы применяются во всех сферах деятельности человека, где используется электрический ток: в промышленности, сельском хозяйстве, приборостроении, электрических сетях и бытовых электроприборах.

Выбор проводника обусловлен его техническими характеристиками. Наименьшим удельным сопротивлением обладают изделия из серебра, золота, платины. Использование их ограничено космическими и военными целями из-за высокой себестоимости. Медь и алюминий проводят ток несколько хуже, но сравнительная дешевизна привела к их повсеместному применению в качестве проводов и кабельной продукции.

Чистые металлы без примесей лучше проводят ток, но в ряде случаев требуется использовать проводники с высоким удельным сопротивлением — для производства реостатов, электрических печей, электронагревательных приборов. Для этих целей используются сплавы никеля, меди, марганца (манганин, константан). Электропроводность вольфрама и молибдена в 3 раза ниже, чем у меди, но их свойства широко используются в производстве электроламп и радиоприборов.

Твёрдые диэлектрики — материалы, обеспечивающие безопасность и бесперебойную работу токопроводящих элементов. Они используются в качестве электроизоляционного материала, не допуская утечки тока, изолируют проводники между собой, от корпуса прибора, от земли. Примером такого изделия являются диэлектрические перчатки, про которые написано в нашей статье.

Жидкие диэлектрики используют в конденсаторах, силовых кабелях , циркулирующих системах охлаждения турбогенераторов и высоковольтных масляных выключателей. Материалы применяют в качестве заливки и пропитки.

Газообразные изоляционные материалы. Воздух — естественный изолятор, одновременно обеспечивающий отвод тепла. Азот применяется в местах, где недопустимы окислительные процессы. Водород применяется в мощных генераторах с высокой теплоёмкостью.

Слаженная работа проводников и диэлектриков обеспечивает безопасную и стабильную работу оборудования и сетей электроснабжения. Выбор конкретного элемента для поставленной задачи зависит от физических свойств и технических параметров вещества.

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Из курса физики средней школы вы знаете, что в металлах свободными носителями зарядов являются электроны. Это происходит потому, что электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, утрачивают связи со своими атомами и могут относительно свободно передвигаться по всему объёму металла.

Давайте посмотрим, что произойдёт, если поместить металлический проводник в однородное электрическое поле, которое создаётся двумя разноимённо заряженными пластинами. Мы уже с вами знаем, что вектор напряжённость этого поля направлен от положительно заряженной пластины к отрицательно заряженной. Под действием кулоновских сил свободные электроны наряду с непрекращающимся тепловым движением начнут упорядоченное движение в сторону положительно заряженной пластины (то есть возникнет электрический ток), создавая там избыточный отрицательный заряд. В то же время недостаток электронов на правой стороне проводника приведёт к возникновению на ней избыточного положительного заряда.

Явление, при котором на поверхности проводника, помещённого в электростатическое поле, появляются электрические заряды, называют электростатической индукцией или электризацией через влияние.

Что такое диэлектрики и их примеры

А электрические заряды, возникающие в результате электростатической индукции, называют индуцированными.

Конечно же перераспределившиеся заряды создадут собственное электрическое поле, линии напряжённости которого будут направлены в сторону, противоположную линиям напряжённости внешнего поля (то есть будут его компенсировать). За ничтожно малый промежуток времени (порядка 10–13 секунды) заряды в проводнике перераспределяются так, что напряжённость результирующего поля внутри пластины становиться равной нулю, и электрический ток прекращается. Следовательно, электростатическое поле в проводнике существовать не может.

Теперь давайте выясним, как распределяются заряды в наэлектризованном проводнике. Для этого проведём такой опыт. Возьмём полый металлический шар и заряди́м его. Теперь маленьким шариком на изолирующей ручке будем касаться различных точек внешней поверхности заряженного металлического шара, а затем электрометра. По углу отклонения стрелки электрометра, можно убедиться, что на внешней поверхности полого шара заряд распределяется равномерно.

Если же коснуться шариком внутренней поверхности заряженного шара, а затем электрометра, то стрелка последнего никак себя не проявит. Это говорит нам о том, что на внутренней поверхности шара избыточного заряда нет. То есть действительно, заряды, сообщённые проводнику, располагаются только на его внешней поверхности

Будет интересно➡  как определить фазу и ноль индикаторной отверткой?

Это ещё раз доказывает, что электростатическое поле внутри проводника отсутствует. Суммарный заряд любой внутренней области проводника равен нулю и не влияет на распределение зарядов на его поверхности и на напряжённость поля внутри проводника.

На этом свойстве проводников и основан принцип действия клетки Фарадея, используемой для электростатической защиты.

И ещё один важный факт, о котором мы с вами должны знать: возле поверхности проводника силовые линии электростатического поля всегда перпендикулярны поверхности.

Докажем это методом от противного. Для этого предположим, что у поверхности проводника силовые линии не перпендикулярны поверхности, то есть вектор напряжённости поля направлен под некоторым углом к ней. Разложим вектор напряжённости на две взаимно перпендикулярные составляющие: одна из них — перпендикулярно поверхности проводника, а вторая направлена по касательной к этой поверхности.

Как мы знаем, в проводнике имеются свободные заряды (для простоты, будем считать, что это положительные заряды). На эти заряды будет действовать электрическая сила со стороны составляющей и направлена она будет вдоль поверхности проводника. Под действием этой силы носители заряда тут же придут в движение и будут перемещаться туда, куда направлена касательная составляющая вектора напряжённости поля. Значит эти заряды будут создавать своё поле, направленное против , которое со временем будет увеличиваться. Это будет продолжаться до тех пор, пока вектор не исчезнет. И вектор напряжённости поля очень быстро повернётся и станет перпендикулярен поверхности проводника.

В 1729 году исследуя явление электризации через влияние английский физик Стефан Грей установил, что все вещества, известные на то время, можно разделить на два класса: способные переносить электрические заряды и этим свойством не обладающие. Соответствующие термины «проводник» и «изолятор» были введены ещё одним английским учёным Жаном Теофилом Дезагюлье.

В 1838 году Майкл Фарадей предложил называть изоляторы диэлектриками, так как в эти вещества способно проникать электростатическое поле.

Давайте посмотрим, что же происходит с диэлектриком, если его поместить в электростатическое поле. Для этого проведём такой опыт. Возьмём длинную деревянную линейку установим на подставке так, чтобы она могла свободно вращаться. Наэлектризуем стеклянную палочку и поднесём её к одному из концов линейки. Как видим, линейка начала поворачиваться в сторону палочки. Следовательно, незаряженный диэлектрик, коим является деревянная линейка, притягивается к заряженному телу. Объяснить это можно только при условии появления на его концах избыточных зарядов, противоположных по знаку.

Рассмотрим механизм перераспределения зарядов по поверхности диэлектрика. Вам уже известно, что все атомы и молекулы состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого с огромной скоростью вращаются отрицательно заряженные электроны. Например, в ядре атома водорода электрон совершает один оборот примерно за 10–15 секунд. Значит, например, за 10–9 секунд он совершит один миллион оборотов, и миллион раз побывает в двух любых диаметрально противоположных точках. Это даёт нам основание полагать, что центр распределения отрицательного заряда в атоме приходится на его ядро.

А теперь посмотрим на молекулу поваренной соли. Из химии вам должно быть известно, что в атоме натрия на внешней оболочке есть всего один валентный электрон, слабо связанный с ядром.

А у атома хлора валентных электронов 7. Таким образом, при образовании молекулы поваренной соли единственный свободный валентный электрон натрия захватывается хлором. В результате из двух нейтральных атомов образуются система из двух разноимённо заряженных ионов. Теперь положительный и отрицательный заряды не распределены симметрично по объёму молекулы: центр распределения положительного заряда приходиться на ион натрия, а отрицательного — на ион хлора.

На большом расстоянии такую молекулу можно рассматривать как электрический диполь, то есть систему двух равных по модулю и противоположных по знаку зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

В связи с этим все диэлектрики принято делить на два вида:

неполярные,

состоящие из атомов и молекул, у которых центры распределения зарядов совпадают (это, например, парафин, бензол, инертные газы, кислород и так далее);

и полярные

, состоящие из молекул, у которых центры распределения зарядов не совпадают (примерами служат спирт, вода, аммиак, ацетон);

Что такое диэлектрики и их примеры

У полярных диэлектриков в отсутствие внешнего электростатического поля молекулы-диполи, совершая тепловое движение, располагаются хаотически. Поэтому, результирующее электрическое поле, создаваемое диполями, практически равно нулю, так как в среднем равен нулю электрический заряд.

Когда мы помещаем диэлектрик во внешнее поле, то на каждый диполь начинают действовать две силы, равные по модулю, но противоположные по направлению. Под действием этих сил диполи стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением напряжённости внешнего поля. При этом положительные заряды смещаются в направлении электрического поля, а отрицательные — противоположно этому направлению.

Что такое диэлектрики и их примеры

Такое смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны называется поляризацией, а сам диэлектрик в этом состоянии — поляризованным.

Упорядоченное расположение всех диполей вдоль силовых линий возможно только при температуре, близкой к абсолютному нулю. Во всех остальных случаях происходит лишь их частичная ориентация. Это означает, что в среднем число электрических диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем их число, ориентированных против поля. В результате в любой части диэлектрика суммарный электрический заряд всё также будет равен нулю. Но вот на поверхности диэлектрика появятся заряды: с одной стороны преимущественно положительные заряды диполей, с другой — отрицательные.

У неполярных диэлектриков молекулы со сферически симметричным распределением зарядов в отсутствие внешнего электрического поля не создают собственного поля. Под влиянием электростатического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь. Поэтому, как и в случае с полярными диэлектриками, в неполярных диэлектриках на одной поверхности появляется положительный поляризационный заряд, на другой — отрицательный

Поляризация диэлектрика несколько напоминает электризацию проводника через влияние. Однако между этими явлениями существует глубокое различие. Дело в том, что в проводниках электризация обусловлена наличием свободных зарядов. И если разделить в электрическом поле проводник, заряженный через влияние, то мы получим два противоположно заряженных проводника,

В диэлектрике же поляризационные заряды не перемещаются, поэтому их и называют связанными

Эти заряды нельзя отделить один от другого. И если поляризованный диэлектрик разрезать пополам во внешнем электрическом поле, то на одной стороне каждой половинки будет нескомпенсированный положительный заряд, а на другой — отрицательный.

Очевидно, что поляризационные заряды, появившиеся на границе ди­электрика с проводником вследствие его поляризации, создают собственное электростатическое поле, напряжённость которого направлена навстречу напряжённости внешнего поля и ослабляет её, но не компенсирует полностью.

Согласно принципу суперпозиции, модуль напряжённости результирующего электростатического поля внутри диэлектрика равен разности напряжённостей внешнего поля и поля, созданного поляризационными зарядами:

Для характеристики электрических свойств диэлектриков вводят физическую величину, называемую диэлектрической проницаемостью вещества

Диэлектрическая проницаемость вещества

это скалярная физическая величина, которая показывает, во сколько раз модуль напряжённости электростатического поля внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряжённости поля в вакууме:
Различные диэлектрики поляризуются внешним полем по-разному и имеют разную диэлектрическую проницаемость. В таблице приведены диэлектрические проницаемости различных веществ относительно вакуума, диэлектрическая проницаемость которого принанимается за единицу.

Обратите внимание на диэлектрическую проницаемость воздуха. Так как её значение мало отличается от диэлектрической проницаемости вакуума, то при решении большинства задач мы будем считать её равной единице.

Предыдущая
РазноеДелаем токопроводящий клей из подручных материалов
Следующая
РазноеЧто такое фаза в электричестве?
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять