- История термина
- Что такое диэлектрики и их примеры
- Диэлектрические материалы: свойства и применение
- Поляризация диэлектриков
- Виды поляризации
- Поляризуемость и поляризационная сила
- Эффекты поляризации
- Вектор поляризации диэлектрика
- Электрическая поляризация и изоляция в диэлектриках
- Классификация по агрегатному состоянию
- Классификация по происхождению
- Узнайте, почему диэлектрики не проводят электрический ток
- Роль электронов в проводимости диэлектриков
- Что будет, если воздействовать извне?
- А откуда берется низкая электропроводность?
- Диэлектрик раз и навсегда?
- Аморфные диэлектрики. Какие они?
- Таблица свойств диэлектрических веществ
- Заключение
История термина
Выделить в отдельный класс вещества, плохо проводящие электрический ток и назвать их диэлектриками, предложил выдающийся британский физик-экспериментатор Майкл Фарадей. Кроме исследования физических свойств диэлектриков, Фарадей знаменит еще такими открытиями, как:
- явление электромагнитной индукции, на базе которого основано производство электрической энергии и последующее преобразование ее в механическую энергию;
- законы электролиза;
- изобретение трансформатора;
- изобретение электродвигателя;
- эффект воздействия магнитного поля на свет;
- эффект диамагнетизма.
Фарадей автор термина диэлектрик
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.
Диэлектрические материалы: свойства и применение
Одним из основных свойств диэлектриков является их высокая электрическая прочность. Это означает, что они способны выдерживать большие электрические поля без разрушения. Благодаря этому свойству, диэлектрические материалы применяются в изоляционных покрытиях электрических проводов и магнитных катушек, а также в конденсаторах для накопления и хранения электрической энергии.
Еще одно важное свойство диэлектриков — это их диэлектрическая проницаемость. Это показатель, который характеризует способность материала поляризоваться под воздействием внешнего электрического поля. Высокая диэлектрическая проницаемость диэлектриков позволяет им усиливать эффекты электрического поля, что находит применение в конструкции конденсаторов, антенн и других компонентов электронных устройств.
Диэлектрические материалы обладают также хорошей термической стабильностью. Они способны выдерживать высокие температуры без изменения своих электрических и механических свойств, что позволяет использовать их в условиях повышенной тепловой нагрузки.
Применение диэлектрических материалов находит во многих областях техники. Они используются в электротехнике и электронике, медицине, радиосвязи, производстве конденсаторов, изоляционных покрытий, а также в создании различных сенсоров и датчиков.
Поляризация диэлектриков
Внутри диэлектрика электрическое поле может существовать. Притяжение незаряженного тела (диэлектрика) и заряженного тела объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, то есть смещение по сторонам разноименных зарядов, входящих в состав атомов и молекул таких веществ, но здесь смещение происходит в пределах каждого атома или молекулы.
Молекулы полярных диэлектриков — это электрические диполи, имеющих постоянный дипольный момент вследствие асимметрии центра масс положительных и отрицательных зарядов.
Если полярный диэлектрик поместить в электрическое поле, то эти диполи начинают возвращаться своими положительно заряженными концами к отрицательно заряженной пластины, а отрицательно заряженными — к положительно заряженной пластине. В результате на поверхности диэлектрика у положительной пластины возникает достаточно тонкий слой отрицательных зарядов, а у отрицательной — положительных, которые и создают встречное поле. (Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды соседних диполей компенсируют действие друг друга.) Однако, в отличие от проводников, это поле уже не способно полностью компенсировать внешнее, а лишь ослабляет его в ε раз.
Виды поляризации
Существует несколько видов поляризации диэлектриков:
- Электронная поляризация: происходит из-за смещения электронов внутри атомов или молекул диэлектрика под воздействием внешнего электрического поля.
- Ионная поляризация: возникает в ионных кристаллах, где ионы смещаются под действием электрического поля.
- Ориентационная поляризация: происходит в полярных молекулах, которые ориентируются внутри диэлектрика в направлении электрического поля.
- Дипольная поляризация: возникает в случае, когда диэлектрик содержит дипольные молекулы, которые ориентируются внутри диэлектрика под воздействием электрического поля.
Поляризуемость и поляризационная сила
Поляризуемость – это способность диэлектрика подвергаться поляризации. Она зависит от внутренней структуры и свойств диэлектрика.
Поляризационная сила – это мера величины поляризации, которую может вызвать внешнее электрическое поле. Она зависит от интенсивности и направления внешнего поля, а также от свойств диэлектрика.
Эффекты поляризации
Поляризация диэлектриков приводит к ряду эффектов:
- Увеличение электрической проницаемости: поляризация увеличивает электрическую проницаемость диэлектрика, что приводит к увеличению его способности к накоплению электрического заряда.
- Снижение электрической проводимости: поляризация уменьшает электрическую проводимость диэлектрика, что делает его хорошим изолятором.
- Изменение оптических свойств: поляризация может изменять оптические свойства диэлектрика, такие как преломление и отражение света.
Поляризация диэлектриков играет важную роль в различных областях, включая электротехнику, электронику, оптику и материаловедение. Понимание этого явления позволяет разрабатывать новые материалы с улучшенными свойствами и применять их в различных технических устройствах.
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.
Рисунок1
+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
Рисунки2 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.
Электрическая поляризация и изоляция в диэлектриках
Диэлектриками называют вещества, которые обладают низкой проводимостью электрического тока. Это происходит из-за их особенной структуры и характерных свойств.
При воздействии электрического поля на диэлектрик, его атомы или молекулы под влиянием электрических сил начинают смещаться относительно исходного положения. Это явление называется электрической поляризацией.
В результате электрической поляризации диэлектрик разупорядочивается и образует электрическую цепь. Однако, из-за низкой проводимости диэлектрика, электрический ток практически не протекает через него.
Электрическая поляризация в диэлектриках играет важную роль в процессе изоляции. Благодаря своей способности эффективно поляризоваться, диэлектрики образуют слой с большей электрической прочностью вокруг провода или элемента, что предотвращает протекание нежелательных токов и обеспечивает электрическую изоляцию.
Диэлектрики применяются во многих сферах, включая электротехнику, электронику, коммуникационные системы и медицинскую технику. Их низкая проводимость и способность образовывать электрическую изоляцию позволяют использовать их для создания электронных компонентов, изоляции проводов и кабелей, а также в многих других приложениях, где требуется надежная электрическая изоляция и защита от электрических полей.
Классификация по агрегатному состоянию
По агрегатному состоянию выделяется три основных вида диэлектриков:
- твердые – это стекло, пластик, керамика и подобные вещества. Они используются в специализированных станциях и заводах, позволяют ограничить распространение тока и сделать среду более безопасной для окружающих;
- жидкие – это масла, спреи, дистиллированная вода, которые снабжаются в различных машинах и технологиях. Например, это трансформаторы, которые просто не могут работать без изоляторов;
- газовые – к этому типу относятся исключительно азот, который чаще всего используют для того, чтобы понизить их температуру. Это позволяет обезопасить технику от сильного перегрева и возможного взрыва.
Классификация по происхождению
По происхождения изоляторы бывают органическими и неорганическими:
- органические – это диэлектрики, которые добываются в окружающей среде и были созданные не под влиянием человека. Они используются крайне редко, из-за их малого количества свойств;
- неорганические – эти изоляторы создаются самими людьми и чаще всего используются в производстве и деятельности. Они отлично останавливают ток и блокируют его распространение.
Узнайте, почему диэлектрики не проводят электрический ток
Диэлектрики представляют собой материалы, которые не проводят электрический ток. В отличие от проводников, таких как металлы, диэлектрики обладают высоким сопротивлением электрическому току. В данной статье мы рассмотрим основные причины, по которым диэлектрики демонстрируют свои особенности в проводимости электрического тока.
Одной из основных причин, по которым диэлектрики не проводят электрический ток, является структура их атомов или молекул. В диэлектриках электроны внешних энергетических оболочек заняты и не могут свободно перемещаться по материалу с целью проведения электрического тока. Таким образом, диэлектрики не имеют свободных носителей заряда, которые являются ключевыми элементами для проведения электрического тока.
Кроме того, диэлектрики обладают высокой проницаемостью, что также влияет на их способность проводить электрический ток. Проницаемость – это физическая величина, которая характеризует способность материала взаимодействовать с электрическим полем. В диэлектриках проницаемость значительно выше, чем в проводниках, что приводит к задержке электрического тока и его невозможности свободно протекать через материал.
Другой аспект, который способствует неспособности диэлектриков проводить электрический ток, связан с их диэлектрической прочностью. Диэлектрики обладают большой диэлектрической прочностью, что означает, что они могут выдерживать высокое электрическое поле без перехода в проводящее состояние. Таким образом, диэлектрики остаются непроводящими при высоких напряжениях, в то время как проводники уже давно перешли в проводящее состояние.
Роль электронов в проводимости диэлектриков
Электроны — это негативно заряженные элементарные частицы, которые находятся внутри атомов диэлектриков. Они обладают свободной энергией, способной к передаче электрического тока в проводниках.
Однако в диэлектриках электроны заняты внутренними энергетическими уровнями атомов, образуя так называемую «запрещенную зону». Эта зона разделяет энергетические уровни, доступные для электронов. В отличие от металлов, у которых «запрещенная зона» отсутствует, в диэлектриках она имеет ширину, которая значительно превышает энергию теплового движения электронов при комнатной температуре.
Таким образом, электроны в диэлектриках не обладают достаточной энергией, чтобы перепрыгивать через «запрещенную зону» и передавать электрический ток. В результате диэлектрики не проводят электрический ток и являются хорошими изоляторами.
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.
Диэлектрик раз и навсегда?
Когда мы называем то или иное вещество диэлектриком, мы должны понимать, что это название довольно-таки условное, ведь при определенном воздействии на вещество оно уже может потерять свойства диэлектрика. Почему так происходит?
Дело в том, что электрический ток воздействует на вещество лишь очень короткий отрезок времени, из-за чего поле в нем тоже возникает ненадолго. Поэтому, даже вещества с очень низким удельным сопротивлением можно тоже считать диэлектриком при определенных условиях.
Хорошим примером будет дистиллированная вода. А вот если напряжение будет очень долго воздействовать на вещество, то его уже можно смело называть проводником. Вот такая магия.
Аморфные диэлектрики. Какие они?
Чем особенны аморфные диэлектрики? Главное, что отличает их от других — это довольно рыхлая структура, а значит очень много пустот внутри и большое пространство, где ионы могут находится в состоянии равновесия. При этом, при переходе от одного равновесного состояния до другого энергия, расходуемая ионом будет всегда разной. В некоторых переходах ион не будет полностью высвобождаться от сдерживающих его сил, поэтому можно его условно охарактеризовать как наполовину связанный этими силами.
Такие переходы будут тратить очень небольшое количество энергии, и перемещаться ион при таких переходах сможет лишь на очень небольшое расстояние. В результате теплового перемещения такие переходы внутри аморфных тел будут встречаться гораздо чаще, ведь они требуют гораздо меньше энергии, чем другие.
Однако, небольшое количество ионов, которые содержат в себе большие запасы энергии, смогут таки преодолевать связывающие их силы и будут перемещаться на сравнительно большие расстояния.
Если провести аналогию с кристаллической решеткой, то как раз эти ионы и можно назвать свободными. Как мы с вами теперь выяснили, в целом такая обстановка при движении ионов в аморфных телах идентична твердым, но с небольшими оговорками.
Таблица свойств диэлектрических веществ
Свойство Описание Примеры
Диэлектрическая проницаемость | Способность вещества подвергаться поляризации под воздействием электрического поля | Вода, стекло, керамика |
Электрическая прочность | Максимальное значение электрического поля, которое может выдержать вещество без пробоя | Полиэтилен, резина, тефлон |
Тепловая стабильность | Способность вещества сохранять свои свойства при повышенных температурах | Керамика, полиимиды, полиэтилен терефталат |
Механическая прочность | Способность вещества выдерживать механические нагрузки без разрушения | Стекло, керамика, полиэстер |
Химическая стойкость | Способность вещества сохранять свои свойства при воздействии химических веществ | Полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид |
Заключение
Диэлектрические вещества – это материалы, которые не проводят электрический ток. Они обладают рядом свойств, таких как поляризация, диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность. Диэлектрические вещества широко применяются в различных областях, включая электронику, электротехнику и изоляцию. Понимание свойств и применения диэлектрических веществ является важным для инженеров и научных работников в этих областях.
- https://ProFazu.ru/knowledge/electrical/dielektrik-eto.html
- https://zaochnik-com.com/spravochnik/fizika/elektricheskoe-pole/dielektriki/
- https://obraz-vrn.ru/mexanizm-obuslavlivayushhii-otsutstvie-elektriceskogo-toka-v-dielektrikax/
- https://oooevna.ru/dielektriki-v-elektriceskom-pole/
- https://NauchnieStati.ru/spravka/dielektricheskie-veshhestva/
- https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/elektricheskoe-pole/dielektriki/
- https://svarkalegko.com/voprosy/chto-takoe-dielektrik-ego-svojstva-i-primenenie.html
- https://www.RusElectronic.com/dielektriki/
Как вам статья?
