Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Istnieją substancje, które bardzo dobrze przewodzą prąd, tj. przewodniki. Ich przeciwieństwem są dielektryki, czyli izolatory. Czy izolatory blokują przepływ prądu elektrycznego? Czy istnieją sytuacje, w których możliwe jest pokonanie rezystancji takich izolatorów i umożliwienie przepływu prądu elektrycznego? Jak zachowują się dielektryki w zewnętrznym polu elektrycznym? Tego wszystkiego dowiecie się z tego materiału.
Co to jest dielektryk?
Pojęcie dielektryka możemy zdefiniować na podstawie rezystywności (rezystywności) tego materiału.Rezystywność ρ definiujemy jako opór elektryczny przewodnika z jednorodnego materiału o polu przekroju S równym jednemu m2 i długości l równej jednemu m. Jednak w tym artykule bardziej odpowiednie będzie powiązanie rezystywności materiału z natężeniem pola elektrycznego. Wewnątrz materiału, przez który przepływa prąd elektryczny o gęstości j, istnieje pole o natężeniu E. Dla materiału jednorodnego i izotropowego rezystywność możemy zapisać jako stosunek wartości tych dwóch wektorów:
ρ=E / j
W układzie SI jednostką rezystywności jest om na metr (omm).
Rezystywność to stała wartość charakteryzująca materiał. Im wyższa wartość rezystywności, tym gorzej materiał przewodzi prąd. Przyjmuje się, że rezystywność dielektryków jest większa niż 107Ohmm, podczas gdy dobre przewodniki mają wartość rezystywności rzędu 10-8- 10-6 Omm.
Przewodnictwo to "przenoszenie" ładunków elektrycznych przez nośniki. Nośnikami tymi są elektrony. Na przykład w metalach elektrony walencyjne odrywają się od pojedynczych atomów i pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego przemieszczają się przez metal, niosąc ładunek ujemny. Dlatego w metalu płynie prąd elektryczny. Metal jest dobrym przewodnikiem.
Z drugiej strony w izolatorach ładunki są względnie stacjonarne.
Ponieważ dielektryki mają bardzo wysokie wartości oporu elektrycznego (zwykle rzędu gigaomów), aby wytworzyć nawet mały prąd, należy przyłożyć wysokie napięcie elektryczne rzędu gigawoltów. To zniszczy dielektryk.
Widzimy więc, że przewodzenie prądu elektrycznego przez dielektryki jest niemożliwe.
Rodzaje dielektryków i ich właściwości
Dielektryki mają bardzo ciekawe właściwości. Umieszczone w zewnętrznym polu elektrycznym ulegają polaryzacji elektrycznej. W tym przypadku wewnątrz dielektryka powstaje pole elektryczne skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego, które spowodowało polaryzację.
Skąd to się bierze? Dlaczego pole elektryczne pojawia się wewnątrz dielektryka? Poszukajmy odpowiedzi w strukturze molekularnej dielektryków.
Istnieją dwa rodzaje dielektryków: polarne i niepolarne.
Dielektryki polarne to dielektryki, których cząsteczki są trwałymi dipolami. Dipol to układ dwóch różnych ładunków elektrycznych o tej samej wielkości q w odległości l od siebie.
Wielkością charakteryzującą dipole jest moment dipolowy ρ. Moment dipolowy definiuje się jako iloczyn wartości ładunku q i wektora l o wartości równej odległości między ładunkami, kierunku prostej łączącej ładunki oraz powrotu ładunku ujemnego do dodatniego jeden:
ρ=ql
Ryż. 1. Schematyczny rysunek dipola elektrycznego
Jednostka momentu dipolowego to iloczyn kulomba i metra (Cm).
W polarnych dielektrykach cząsteczki mają swój własny moment dipolowy.
Przykładami polarnych dielektryków są kwas solny (HCl) o momencie dipolowym=3,7010-30Cm i woda (H2O) z momentem dipolowym=6,1510-30Cm.
Ryż. 2. Cząsteczka wody jako dipol
Jeżeli taki dipol zostanie umieszczony w zewnętrznym polu elektrycznym o natężeniu E, to zadziała na niego moment siły M:
M=ρE
Dlatego moment siły spowoduje obrót dipola tak, że jego oś jest skierowana wzdłuż linii pola, jak pokazano na rysunku 3.
Ryż. 3. Dipol umieszczony w polu elektrycznym
Ten moment zniknie, gdy wektory ρ i E staną się równoległe.
Niepolarne dielektryki nie mają własnego momentu dipolowego (ich moment dipolowy wynosi zero).Jednak możemy uzyskać pęd, umieszczając taki atom lub cząsteczkę w zewnętrznym polu elektrycznym. W tym przypadku ładunki dodatnie (jądra) i ładunki ujemne (elektrony) zostają rozdzielone.
Przykładami niepolarnych dielektryków są wodór (H2) i metan (CH4). Bez pola mają zerowy moment dipolowy.
Istnieje również grupa dielektryków o specjalnych właściwościach. Takie dielektryki obejmują piezoelektryki, piroelektryki i ferroelektryki.
Piezoelektryki to kryształy, w których pod wpływem naprężeń mechanicznych indukowane są ładunki elektryczne. Oznacza to, że pod naciskiem (lub rozciąganiem) możemy wytworzyć pole elektryczne.
Przykładem piezoelektryka jest kwarc. Piezoelektryki są używane na przykład jako przetworniki elektroakustyczne w głośnikach oraz jako iskierniki w zapalniczkach.
Piroelektryki to substancje (zwykle kryształy), w których polaryzacja występuje przy zmianie temperatury, np. podczas ogrzewania.
Przykładem piroelektryka jest siarczan triglicyny. Piroelektryki są szczególnym przypadkiem piezoelektryków. Piroelektryki można stosować w matrycach termowizyjnych.
Trzecim rodzajem dielektryków, o którym warto wiedzieć, są ferroelektryki. Ferroelektryki uzyskują moment dipolowy po umieszczeniu w zewnętrznym polu elektrycznym, ale w przeciwieństwie do innych dielektryków moment ten nie zanika, gdy wartość pola zewnętrznego osiąga zero. Moment dipolowy ferroelektryka zmienia się jak na poniższym schemacie - zależność ta nazywana jest histerezą (z gr. histereza - opóźnienie).
Ryż. 4. Zmiana pętli histerezy w momencie dipolowym ferroelektryka w zależności od natężenia zewnętrznego pola elektrycznego
Na ryc. 4 widzimy pętlę histerezy, zależność momentu dipolowego p od natężenia pola E. Początkowo natężenie pola i moment dipolowy wynoszą 0. Wraz ze wzrostem natężenia pola rośnie również wartość momentu dipolowego.
Wtedy wartość pola elektrycznego maleje - wartość momentu dipolowego też maleje, ale spadek ten jest "opóźniony" , jak pokazano na krzywej 2.
Gdy wartość E ponownie wynosi 0, moment dipolowy wynosi pr(polaryzacja remanentna). Moment dipolowy osiąga zero tylko dla E=Ec skierowanego przeciwnie do pola początkowego. Po osiągnięciu minimum wartości E i p ponownie rosną, tym razem w ramach histerezy, na co wskazuje - 3.
Ferroelektryki to szczególny przypadek piroelektryków.
Jeśli chodzi o stan skupienia, rozróżnia się dielektryki:
- stałe - może być organiczne (takie jak parafina, papier, drewno lub guma) lub nieorganiczne (takie jak porcelana, azbest lub szkło)
- płyn (np. oleje mineralne, syntetyczne lub silikonowe),
- gazowe, które są często stosowane w systemach elektroizolacyjnych (np. gazy szlachetne - argon, hel, neon; amoniak, powietrze, dwutlenek węgla).