Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Існують речовини, які добре проводять електрику, тобто. провідники. Їхньою протилежністю є діелектрики, або ізолятори. Чи блокують ізолятори перебіг електричного струму? Чи існують ситуації, в яких можна подолати опір таких ізоляторів і уможливити перебіг електричного струму? Як поводяться діелектрики у зовнішньому електричному полі? Все це ви дізнаєтеся в даному матеріалі.
Що таке діелектрик?
Ми можемо визначити поняття діелектрика щодо питомого опору (резистивності) цього матеріалу.Ми визначаємо питомий опір як електричний опір провідника з однорідного матеріалу з площею поперечного перерізу S, що дорівнює одному квадратному метру, і довжиною l, що дорівнює одному метру. Однак у цій статті доречніше пов'язати питомий опір матеріалу з напруженістю електричного поля. Всередині матеріалу, яким тече електричний струм щільністю j, існує поле напруженості E. Для однорідного та ізотропного матеріалу ми можемо записати питомий опір як відношення значень цих двох векторів:
ρ=E / j
У системі СІ одиницею питомого опору є Ом на метр (Омм).
Питомий опір - це стала величина, що характеризує матеріал. Що значення питомого опору, то гірше матеріал проводить електрику. Передбачається, що питомий опір діелектриків більше 107Омм, тоді як хороші провідники мають значення питомого опору порядку 10-8- 10-6 Омм.
Провідність - це «перенесення» електричних зарядів носіями. До таких носіїв належать електрони. У металах, наприклад, валентні електрони відриваються від окремих атомів і під впливом прикладеного електричного поля переміщаються металом, несучи негативний заряд. Тож у металі тече електричний струм. Метал є гарним провідником.
В ізоляторах, з іншого боку, заряди відносно нерухомі.
Оскільки діелектрики мають дуже високі значення електричного опору (зазвичай порядку гіга Ом), для отримання навіть невеликого струму необхідно додати високу електричну напругу порядку гігавольт. Це спричинить руйнування діелектрика.
Таким чином, ми бачимо, що проведення електричного струму через діелектрики неможливе.
Типи діелектриків та їх властивості
Діелектрики мають дуже цікаві властивості. При приміщенні у зовнішнє електричне поле вони піддаються електричної поляризації. При цьому всередині діелектрика утворюється електричне поле, спрямоване протилежно зовнішньому полю, що спричинив поляризацію.
Звідки вона береться? Чому всередині діелектрика виникає електричне поле? Давайте пошукаємо відповідь у молекулярній структурі діелектриків.
Існує два типи діелектриків: полярні та неполярні.
Полярні діелектрики - це діелектрики, молекули яких є постійними диполями. Диполь - це розташування двох різнорідних електричних зарядів однакової величини q з відривом l друг від друга.
Величина, що характеризує диполі, - це дипольний момент ρ. Дипольний момент визначається як добуток величини заряду q і вектора l, що має величину, рівну відстані між зарядами, напряму прямої лінії, що з'єднує заряди, і поверненню від негативного заряду до позитивного:
ρ=ql
Мал. 1. Схематичний малюнок електричного диполя
Одиницею дипольного моменту є добуток кулона та метра (Клм).
У полярних діелектриках молекули мають власний дипольний момент.
Прикладами полярних діелектриків є соляна кислота (HCl) з дипольним моментом=3,7010-30Клм і вода (H2O) з дипольним моментом=6,1510-30 Клм.
Мал. 2. Молекула води як диполь
Якщо такий диполь помістити в зовнішнє електричне поле напруженістю E, то на нього діятиме момент сили M:
M=ρE
Тому момент сили змусить диполь повернутися так, щоб його вісь була спрямована вздовж лінії поля, як показано на малюнку 3.
Мал. 3. Диполь, поміщений у електричне поле
Цей момент зникне, коли вектори ρ та E стануть паралельними.
Неполярні діелектрики немає власного дипольного моменту (їх дипольний момент дорівнює нулю).Однак ми можемо отримати момент, помістивши такий атом чи молекулу у зовнішнє електричне поле. У цьому випадку позитивні заряди (ядра) та негативні заряди (електрони) поділяються.
Прикладами неполярних діелектриків є водень (H2) та метан (CH4). Без поля вони мають нульовий дипольний момент.
Існує також група діелектриків з особливими властивостями. До таких діелектриків відносяться п'єзоелектрики, піроелектрики та фероелектрики.П'єзоелектрики - це кристали, у яких під впливом механічного напруги індукуються електричні заряди. Тобто під тиском (або розтягуванням) ми можемо генерувати електричне поле.
Прикладом п'єзоелектрика є кварц. П'єзоелектрики застосовуються як електроакустичні перетворювачі, наприклад, у гучномовцях, а також як іскрові проміжки в сигаретних запальничках.
Піроелектрики - це речовини (зазвичай кристали), в яких поляризація відбувається при зміні температури, наприклад, при нагріванні.
Прикладом піроелектрика є сульфат тригліцину. Піроелектрики є окремим випадком п'єзоелектриків. Піроелектрики можуть знайти застосування в тепловізійних матрицях.
Третій тип діелектриків, про який варто знати, - це фероелектрики. Фероелектрики набувають дипольного моменту при поміщенні в зовнішнє електричне поле, але, на відміну від інших діелектриків, цей момент не зникає, коли значення зовнішнього поля досягає нуля. Дипольний момент фероелектрика змінюється, як показано на діаграмі нижче - така залежність називається гістерезисом (від грецької hysteresis - затримка).
Мал. 4. Петля гістерезису зміна дипольного моменту фероелектрика залежно від напруженості зовнішнього електричного поля
На рис. 4 ми бачимо петлю гістерезису, залежність дипольного моменту p від напруженості поля E. Спочатку напруженість поля та дипольний момент дорівнюють 0. У міру збільшення напруженості поля значення дипольного моменту також збільшується.
Потім значення напруженості електричного поля зменшується - значення дипольного моменту також зменшується, але це зменшення «запізнюється», як показано на кривій 2.
Коли значення E знову дорівнює 0 - значення дипольного моменту pr(залишкова поляризація). Дипольний момент досягає нуля тільки для E=Ec, спрямованого протилежно до вихідного поля. Після досягнення мінімуму значення E та p знову збільшуються, цього разу у вигляді частини гістерезису, позначеної - 3.
Ферроелектрики є окремим випадком піроелектриків.
Що стосується агрегатного стану, то розрізняють діелектрики:
- тверді - це можуть бути як органічні матеріали (такі як парафін, папір, дерево або гума), так і неорганічні (такі як порцеляна, азбест чи скло),
- рідина (наприклад, мінеральні, синтетичні або силіконові олії),
- газоподібні, які часто використовуються в системах електроізоляції (наприклад, благородні гази - аргон, гелій, неон; аміак, повітря, вуглекислий газ).