Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!
Има вещества, които провеждат много добре електричество, т.е. проводници. Тяхната противоположност са диелектриците или изолаторите. Изолаторите блокират ли потока на електрически ток? Има ли ситуации, при които е възможно да се преодолее съпротивлението на такива изолатори и да се позволи протичането на електрически ток? Как се държат диелектриците във външно електрическо поле? Всичко това ще научите в този материал.
Какво е диелектрик?
Можем да дефинираме концепцията за диелектрик чрез съпротивлението (съпротивлението) на този материал.Ние определяме съпротивлението ρ като електрическото съпротивление на проводник от хомогенен материал с площ на напречното сечение S, равна на един квадратен метър, и дължина l, равна на един метър. В тази статия обаче ще бъде по-подходящо съпротивлението на материала да се свърже със силата на електрическото поле. Вътре в материал, през който протича електрически ток с плътност j, има поле със сила E. За хомогенен и изотропен материал можем да напишем съпротивлението като съотношение на стойностите на тези два вектора:
ρ=E / j
В системата SI единицата за съпротивление е ом на метър (Ohmm).
Съпротивлението е постоянна стойност, която характеризира материала. Колкото по-висока е стойността на съпротивлението, толкова по-зле материалът провежда електричество. Приема се, че съпротивлението на диелектриците е по-голямо от 107Ohmm, докато добрите проводници имат стойност на съпротивление от порядъка на 10-8- 10-6 Омм.
Проводимостта е "прехвърлянето" на електрически заряди от носители. Тези носители включват електрони. В металите, например, валентните електрони се отделят от отделните атоми и под въздействието на приложено електрическо поле се движат през метала, носейки отрицателен заряд. Следователно в метала протича електрически ток. Металът е добър проводник.
В изолаторите, от друга страна, зарядите са относително неподвижни.
Тъй като диелектриците имат много високи стойности на електрическо съпротивление (обикновено от порядъка на гига ома), трябва да се приложи високо електрическо напрежение от порядъка на гигаволта, за да се произведе дори малък ток. Това ще разруши диелектрика.
Така виждаме, че провеждането на електрически ток през диелектрици е невъзможно.
Видове диелектрици и техните свойства
Диелектриците имат много интересни свойства. Когато се поставят във външно електрическо поле, те претърпяват електрическа поляризация. В този случай вътре в диелектрика се образува електрическо поле, насочено противоположно на външното поле, предизвикало поляризацията.
Откъде идва? Защо се появява електрическо поле вътре в диелектрик? Нека потърсим отговора в молекулярната структура на диелектриците.
Има два вида диелектрици: полярни и неполярни.
Полярните диелектрици са диелектрици, чиито молекули са постоянни диполи. Диполът е подреждане на два различни електрически заряда с еднаква величина q на разстояние l един от друг.
Величината, характеризираща диполите, е диполният момент ρ. Диполният момент се дефинира като произведение от величината на заряда q и вектора l със стойност, равна на разстоянието между зарядите, посоката на правата линия, свързваща зарядите, и връщането от отрицателен заряд към положителен едно:
ρ=ql
Ориз. 1. Схематичен чертеж на електрически дипол
Единицата за диполен момент е произведението на кулон и метър (Cm).
В полярните диелектрици молекулите имат собствен диполен момент.
Примери за полярни диелектрици са солна киселина (HCl) с диполен момент=3,7010-30Cm и вода (H2O) с диполен момент=6.1510-30Cm.
Ориз. 2. Водна молекула като дипол
Ако такъв дипол се постави във външно електрическо поле със сила E, тогава върху него ще действа момент на сила M:
M=ρE
Следователно моментът на сила ще накара дипола да се завърти така, че оста му да е насочена по линията на полето, както е показано на фигура 3.
Ориз. 3. Дипол, поставен в електрическо поле
Този момент ще изчезне, когато векторите ρ и E станат успоредни.
Неполярните диелектрици нямат собствен диполен момент (диполният им момент е нула).Въпреки това можем да получим импулс, като поставим такъв атом или молекула във външно електрическо поле. В този случай положителните заряди (ядрата) и отрицателните заряди (електроните) са разделени.
Примери за неполярни диелектрици са водород (H2) и метан (CH4). Без поле те имат нулев диполен момент.
Съществува и група диелектрици със специални свойства. Такива диелектрици включват пиезоелектрици, пироелектрици и фероелектрици.
Пиезоелектриците са кристали, в които електрическите заряди се индуцират при механично напрежение. Тоест, под налягане (или разтягане) можем да генерираме електрическо поле.
Пример за пиезоелектрик е кварцът. Пиезоелектриците се използват като електроакустични преобразуватели в високоговорители, например, и като искрови междини в запалки.
Пироелектриците са вещества (обикновено кристали), в които възниква поляризация при промяна на температурата, като нагряване.
Пример за пироелектрик е триглицин сулфат. Пироелектриците са частен случай на пиезоелектриците. Пироелектриците могат да се използват в термовизионни матрици.
Третият тип диелектрици, за които си струва да знаете, са фероелектриците. Фероелектриците придобиват диполен момент, когато са поставени във външно електрическо поле, но за разлика от други диелектрици, този момент не изчезва, когато стойността на външното поле достигне нула. Диполният момент на фероелектрик се променя, както е показано на диаграмата по-долу - тази зависимост се нарича хистерезис (от гръцки hysteresis - забавяне).
Ориз. 4. Промяна на хистерезисната верига в диполния момент на фероелектрик в зависимост от силата на външното електрическо поле
На фиг. 4 виждаме хистерезисна верига, зависимостта на диполния момент p от напрегнатостта на полето E. Първоначално напрегнатостта на полето и диполният момент са 0. С увеличаването на напрегнатостта на полето стойността на диполния момент също се увеличава.
След това стойността на електрическото поле намалява - стойността на диполния момент също намалява, но това намаление е "забавено" , както е показано на крива 2.
Когато стойността на E отново е 0, стойността на диполния момент е pr(остатъчна поляризация). Диполният момент достига нула само за E=Ec, насочен срещу изходното поле. След достигане на минимума, стойностите на E и p се увеличават отново, този път като част от хистерезиса, обозначен с - 3.
Сегнетоелектриците са специален случай на пироелектриците.
Що се отнася до състоянието на агрегиране, диелектриците се различават:
- твърдо - може да бъде органично (като парафин, хартия, дърво или гума) или неорганично (като порцелан, азбест или стъкло)
- течност (напр. минерални, синтетични или силиконови масла),
- газообразни, които често се използват в електрически изолационни системи (например благородни газове - аргон, хелий, неон; амоняк, въздух, въглероден диоксид).