Ikea73.ru

IKEA Стиль
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Диэлектрик не проводит ток потому что

Диэлектрик не проводит ток потому что

Наверное, многие школьники на вопрос «Что бы вы взяли с собой на необитаемый остров?» сразу ответят: «Мобильный телефон и компьютер», — но через некоторое время, конечно, сообразят: «Ой, там же нет электричества. »

Трудно представить, но еще сто лет назад большая часть нашей страны была похожа на такой остров: электричеством могли пользоваться немногие. Сегодня же каждый назовет не менее десяти электрических бытовых устройств, без которых нам уже сложно представить свою жизнь: стиральная машина, лампа, телевизор и т. д. Эти устройства называются электрическими, потому что их работа основана на действии электрического тока. А что такое электрический ток?

Даём определение электрического тока

Проведем опыт. Поставим на стол два электрометра (А и Б) и зарядим один из них, например электрометр А (рис. 23.1, а). Соединим кондукторы электрометров металлическим стержнем, закрепленным на пластмассовой ручке. По отклонению стрелок электрометров видим, что заряд электрометра А уменьшился, а незаряженный электрометр Б получил заряд (рис. 23.1, б). Это значит, что некоторое количество заряженных частиц (в данном случае электронов) перешло по стержню от одного прибора к другому. Физики говорят, что по стержню прошел электрический ток.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Выясняем условия возникновения и существования электрического тока

Учитывая определение электрического тока, сформулируем первое условие его возникновения и существования в любой среде: в среде должны быть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться по всей среде. Такие частицы называют носителями тока.

Однако этого условия недостаточно для того, чтобы в среде существовал электрический ток. Для создания и поддержания направленного движения свободных заряженных частиц необходимо наличие электрического поля. Именно благодаря действию электрического поля движение заряженных частиц приобретает упорядоченный (направленный) характер, что и означает появление в данной среде электрического тока.

Учимся различать проводники, диэлектрики и полупроводники

Зная условия возникновения и существования электрического тока, нетрудно догадаться, что электрическая проводимость — способность проводить электрический ток — у разных веществ разная. В зависимости от этой способности все вещества и материалы делят на проводники, диэлектрики и полупроводники (о проводниках и диэлектриках уже шла речь в § 21).

Проводники — вещества и материалы, которые хорошо проводят электрический ток.

Проводниками являются металлы (как в твердом, так и в жидком состояниях), графит, водные растворы солей (например, поваренной соли), кислот и щелочей. Высокая электрическая проводимость проводников объясняется наличием в них большого количества свободных заряженных частиц. Так, в металлическом проводнике часть электронов, покинув атомы, свободно «путешествует» по всему объему проводника, и количество таких электронов достигает 10 23 в кубическом сантиметре.

Влажная земля, тело человека или животного хорошо проводят электрический ток, так как содержат вещества, являющиеся проводниками.

Диэлектрики — вещества и материалы, которые плохо проводят электрический ток.

Диэлектриками являются многие твердые вещества (эбонит, фарфор, резина, стекло и др.), жидкости (дистиллированная вода, керосин, спирт, бензин и др.) и газы (кислород, водород, азот, углекислый газ и др.). В диэлектриках почти отсутствуют свободные заряженные частицы.

Проводники и диэлектрики широко используют в промышленности, быту, технике. Так, провода, по которым подводят ток от электростанций к потребителям, изготовляют из металлов — хороших проводников. При этом на опорах провода размещают на изоляторах, — это предотвращает стекание электрического заряда в землю (рис. 23.2). Как вы думаете, почему провода, которые прокладывают в земле, покрывают слоем диэлектрика?

Читайте так же:
Крышки для накладных розеток

Существует много веществ (например, германий, силиций, арсен), которые называют полупроводниками. Обычно такие вещества плохо проводят ток и их можно отнести к диэлектрикам. Но если повысить температуру или увеличить освещенность, в полупроводниках появляется достаточное количество свободных заряженных частиц и полупроводники становятся проводниками. Полупроводники используются при изготовлении радиоэлектронной аппаратуры, солнечных батарей (рис. 23.3) и т. д.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и электрического поля, благодаря действию которого создается и поддерживается направленное движение этих частиц.

В зависимости от электрической проводимости все вещества условно делят на проводники (вещества, которые хорошо проводят электрический ток), диэлектрики (вещества, которые плохо проводят электрический ток) и полупроводники.

1. Что такое электрический ток? 2. Сформулируйте условия возникновения и существования электрического тока. 3. Какие вещества относят к проводникам, диэлектрикам, полупроводникам? Приведите примеры. 4. Почему металлы хорошо проводят электрический ток? 5. Приведите примеры использования проводников и диэлектриков.

1. Запишите названия нескольких предметов, изготовленных из материалов, являющихся: а) проводниками; б) диэлектриками.

2. Каким требованиям должен соответствовать материал для изготовления корпусов розеток и выключателей?

3. Почему трудно, а иногда практически невозможно зарядить электроскоп в помещении с высокой влажностью воздуха?

4. Почему в опыте, описанном в пункте 1 § 23, кондукторы электрометров соединяли металлическим стержнем (см. рис. 23.1)? Для чего стержень был закреплен на пластмассовой ручке? Как изменятся результаты опыта, если вместо металлического стержня воспользоваться пластмассовым?

5. Движутся ли свободные заряженные частицы в проводнике, когда в нем нет тока? Поясните свой ответ.

6. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и выясните, какие вещества являются лучшими диэлектриками и где их применяют.

7. К двум соединенным металлическим пластинам А и Бподнесли наэлектризованную о шерсть эбонитовую палочку (см. рисунок).

Диэлектрики

Диэлектриками называют вещества, которые не способны проводить электрический ток.

Изоляторов, которые абсолютно не проводят электрический ток, в природе не существует. Диэлектрики в $10^ <15>-10^<20>$ раз хуже проводят ток, чем проводники. Дело в том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.

Если диэлектрик внести в электрическое поле, то и поле, и сам диэлектрик сильно изменяются. В изначально не заряженных диэлектриках в присутствии поля возникают электрические заряды. Происходит явление поляризации вещества, то есть на диэлектрике в поле возникают электрические полюсы. Заряды, которые появляются при этом, называют поляризационными зарядами. Отделить друг от друга поляризационные заряды не возможно. В этом состоит их существенное отличие от индукционных зарядов в проводниках. Такое отличие объясняется тем, что в металлах присутствуют электроны, которые могут перемещаться на значительные расстояния. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой и могут смещаться только в пределах одной молекулы, то есть на очень небольшие расстояния.

Диэлектрики состоят или из нейтральных молекул, или из заряженных ионов, которые закреплены в положениях равновесия, например в узлах кристаллической решетки. Ионные кристаллические решетки могут быть разбиты на «элементарные ячейки», которые в целом нейтральны.

Читайте так же:
Камеры для уличного видеонаблюдения розетка

Под действие электрического поля, в отличие от проводников, заряды в диэлектрике не срываются полем со своего места, а только слегка смещаются. Диэлектрик в отсутствии электрического поля условно можно представить как совокупность молекул, в каждой из которых положительные и отрицательные заряды равные по величине распределены по всему объему вещества. В состоянии поляризации диэлектрика заряды каждой молекулы смещаются в противоположные стороны, таким образом, один конец молекулы становится положительно заряженным, другой отрицательно. То есть молекула превращается в электрический диполь. Равнодействующая электрических сил, которые действуют на нейтральную молекулу диэлектрика в однородном поле, равна нулю, так как центр тяжести молекулы остается неподвижным. Молекула просто деформируется.

Существуют диэлектрики, в которых молекулы имеют дипольный момент в отсутствии электрического поля (полярные молекулы). Если поле отсутствует, то полярные молекулы участвуют в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. При внесении диэлектрика в поле, молекулы ориентируются в основном в направлении поля. Следовательно, диэлектрик поляризуется. У симметричных молекул, например, $O_2, N_2,$ при отсутствии поля центы тяжести отрицательных и положительных зарядов совпадают, вследствие, чего собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы). У несимметричных молекул ($<например, H>_2O, CO$) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и называются полярными.

Существуют диэлектрические кристаллы (ионные кристаллы), которые строятся из ионов противоположного знака. Подобный кристалл состоит из двух кристаллических решеток, положительной и отрицательной, вдвинутых одна в другую. Кристалл в целом можно уподобить гигантской молекуле. При наложении электрического поля происходит сдвиг одной решетки относительно другой, так происходит поляризация ионных кристаллов. Существуют кристаллы, которые поляризованы и без поля. При дальнейшем изучении поведения диэлектриков в электрических полях механизм возникновения поляризации значения иметь не будет. Существенным является лишь то, что поляризация диэлектрика проявляется через возникновение некомпенсированных макроскопических зарядов. Когда диэлектрик не поляризован, объемная плотность его зарядов ($rho $) и поверхностная плотность ($sigma $) равны нулю. В результате поляризации $sigma ne 0$, а иногда и $rho ne 0.$ Поляризация сопровождается возникновением в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов одного знака. В том случае, если перпендикулярная составляющая напряженности поля $overrightarrowne 0$ на выделенном участке, то под действием поля заряды одного знака уходят внутрь, а другого выходят наружу.

Вектор поляризации

Степень поляризации диэлектрика характеризуется поляризованностью ($overrightarrow

$) или вектором поляризации:

где $overrightarrow$ — дипольный момент элемента диэлектрика. Для неполярных молекул вектор поляризованности можно определить, как:

где суммирование идет относительно всех молекул в объеме $triangle V$. $N$ — концентрация молекул, $overrightarrow$ — индуцированный дипольный момент (Он одинаковый у всех молекул). $overrightarrowuparrow uparrow overrightarrow.$

Формула поляризованности для полярных молекул имеет вид:

где $leftlangle overrightarrow

rightrangle $ — среднее значение дипольных моментов, которые равны по модулю, но разнонаправлены. В изотропных диэлектриках средние дипольные моменты совпадают по направлению с напряженностью внешнего электрического поля. У диэлектриков с полярного типа молекулами, вклад в поляризованность от наведенных зарядов много меньше, чем вклад от переориентации поля.

Ионная решеточная поляризации описывается формулой (3). В большинстве случаев такая поляризация является анизотропной.

Если представить плоский конденсатор, который заполнен диэлектриком (рис.1), то на левой обкладке его находится положительный заряд, на правой — отрицательный. Так как притягиваются разноименные заряды, то у положительной обкладки возникнет на поверхности диэлектрика отрицательный заряд, а у правой (отрицательной) — положительный заряд диэлектрика. Получается, что поле, которое создают поляризационные заряды, направлено против поля, которое создают обкладки, то есть диэлектрик ослабляет поле.

Читайте так же:
Использование розеток для локальной сети

Диэлектрики

$+q, -q$ — заряды на обкладках конденсатора.

$overrightarrow$ — напряженность поля, которое создается обкладками конденсатора.

$-q’, +q’$ -заряды диэлектрика.

$overrightarrow‘$ — напряженность поля, которое создается в результате поляризации диэлектрика.

Влияние вещества на электрические и магнитные поля было открыто Фарадеем эмпирически. Именно он ввел в науку термины диэлектрик и диэлектрическая постоянная.

Если однородный изотропный диэлектрик заполняет полностью объем, который ограничен эквипотенциальными поверхностями поля сторонних зарядов, то напряженность поля внутри диэлектрика в $varepsilon $ раз меньше, чем напряженность поля сторонних зарядов.

Напряженность поля точечного заряда, который находится в диэлектрике с диэлектрической проницаемостью $varepsilon$, равна:

Закон Кулона для зарядов, находящихся в жидком и газообразном диэлектрике имеет вид:

Готовые работы на аналогичную тему

Задание: Бесконечную плоскую пластину из однородного изотропного диэлектрика поместили в однородное электростатическое поле напряженностью $E=200frac<В><м>$ перпендикулярно силовым линиям поля. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика равна 2. Какова напряженность поля внутри диэлектрика.

Поле в вакууме в $varepsilon $ раз сильнее, чем в диэлектрике, поэтому запишем, что:

Ответ: Напряженность поля в пластине будет 100$frac<В><м>$.

Задание: Заряженные шарики имеют массы $m_1=m_2=m. Они $подвешены на нитях одинаковой длины в одной точке, их заряды равны $q_1$ и $q_2$.(рис.1). Сначала они находятся в воздухе (диэлектрическая проницаемость $_1$) за тем погружены в жидкость $_<2.>$ Каково отношение диэлектрических проницаемостей $(frac<_<2.>><_1>)$, если при погружении в жидкость системы из шариков угол расхождения нитей не изменился? Отношение плотности шариков к плотности диэлектрика ($frac<_><_d>$)=b.

Пример 2 и 3

Запишем условие равновесия шарика (одного, так как система симметрична) в воздухе:

Запишем условие равновесия шарика (одного) в жидкости:

Запишем проекции уравнения (2.1.) на оси:

Проекции уравнения (2.2) на оси:

Разделим уравнение (2.3) на (2.4), получим:

Уравнение (2.5) на уравнение (2.6), имеем:

По закону Кулона запишем выражения для $F_, F_$:

Модуль силы Архимеда равен:

Подставим в уравнение (2.8) уравнения (2.9) и (2.10), получим:

Ответ: Диэлектрическая проницаемость жидкости должна быть $frac<_2><е_1>=frac<1><1-b>$.

Вода и электрический ток

Чтобы вещество смогло проводить электрический ток, в нем должны присутствовать заряженные частицы, способные свободно перемещаться через весь его объем под действием приложенного электрического поля. В металлических проводниках, например, такими заряженными частицами выступают свободные электроны, а в электролитах — положительно и отрицательно заряженные ионы.

Диэлектрики вовсе не проводят постоянный электрический ток, поскольку заряженные частицы в их структуре хотя и есть, однако они связаны друг с другом, и не могут свободно перемещаться, образуя ток.

Но переменный ток пропускают даже диэлектрики, это называется током смещения, например конденсатор в цепи переменного тока на определенной частоте будет проводить ток так, словно является проводником.

Вода и электрический ток

Обычная неочищенная вода

Что касается обычной воды (речной, водопроводной, особенно — морской и т. д.), то в ней всегда присутствуют растворенные минеральные вещества, которые под действием приложенного электрического поля распадаются на ионы, способные двигаться как в электролите.

По этой причине обычная неочищенная вода проводит ток, ведя себя подобно слабому электролиту. Если через такую воду попытаться пропустить ток, то в течение небольшого времени он будет через нее идти, хотя и слабо.

Теоретически идеально чистая вода

Теоретически, если воду полностью очистить от примесей, то есть удалить из ее объема абсолютно все вещества, включая соли, газы, остатки кислот, то она станет диэлектриком, и будет вести себя как изолятор.

В ней не будет ионов, способных двигаться под действием электрического поля и образовывать ток, а сами молекулы воды — электрически нейтральны. Такую воду можно было бы использовать, например, в качестве диэлектрика между пластинами конденсатора.

Дистиллированная вода

Реальная дистиллированная вода

Но в реальности даже дистиллированная вода (вода, очищенная путем испарения с последующей конденсацией пара) не бывает абсолютно чистой.

Есть российский ГОСТ 6709-72, определяющий массовую концентрацию остатка примесей в такой дистиллированной воде — не более 5 мг на литр, и минимальное удельное сопротивление не менее 2 кОм*м.

То есть куб дистиллированной воды со стороной длиной в 1 метр, с приложенными к нему по краям электродами, будет иметь сопротивление минимум 2 кОм. А если представить разлитую по полу дистиллированную воду, скажем, в объеме одного стакана (200 мл), то ее сопротивление в лучшем случае окажется 200 кОм. Можно сказать, что это практически — диэлектрик.

Нет смысла пытаться использовать такую воду как проводник постоянного тока. С этой точки зрения дистиллированная вода не проводит электрический ток. Ее обычно используют для коррекции плотности электролитов.

Почему стоит опасаться контакта любой воды с электричеством

Почему стоит опасаться контакта любой воды с электричеством

Однако люди не зря боятся контакта любой воды с электричеством, особенно — с переменным напряжением из розетки. Даже сетевое напряжение с провода, упавшего в лужу воды, на которую может случайно наступить человек, способно вызвать миллиамперный переменный ток, которого будет достаточно для причинения организму вреда.

Человеческое тело и фаза из розетки, соединенные через лужу разлитой воды, образуют цепь с реактивными элементами, и если человек в такой ситуации случайно коснется заземленного предмета, то его ударит током. Вот почему необходимо избегать контакта электричества с водой. Как вы понимаете, с дистиллированной водой риск причинения вреда меньше, но он все равно остается. Поэтому лучше избегать попадания любой воды на электрические приборы.

Что такое диэлектрики и где они используются

Диэлектрики — это вещества, которые не проводят электрический ток, до определенной поры. При определенных условиях проводимость в них зарождается. Этими условиями выступают механические, тепловые — в общем, энергетические виды воздействий. Кроме диэлектриков, вещества также классифицируются на проводники и полупроводники.

Чем отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников

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

энергетические диаграммы диэлектрика, проводника и полупроводника

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.

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

Главными электрическими свойствами диэлектриков являются поляризация (смещение зарядов) и электропроводность (способность проводить электрический ток) Смещение связанных зарядов диэлектрика или их ориентация в электрическом поле называется поляризацией. Это свойство диэлектрических материалов характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε. При поляризации на поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды.

В зависимости от типа диэлектрика поляризация может быть: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, спонтанной. Более подробно про их свойства на инфографике ниже.

инфографика поляризации диэлектриков

Под электропроводностью понимают способность диэлектрика проводить электрический ток. Ток, протекающий в диэлектрике называется током утечки. Ток утечки состоит из двух составляющих — тока абсорбционного и тока сквозного. Сквозные токи обусловлены наличием свободных зарядов в диэлектрике, абсорбционный ток — поляризационными процессами до момента установления равновесия в системе.

Величина электропроводности зависит от температуры, влажности и количества свободных носителей заряда.

При увеличении температуры электропроводность диэлектриков увеличивается, а сопротивление падает.

Зависимость от влажности вновь возвращает нас к классификации диэлектриков. Ведь, неполярные диэлектрики не смачиваются водой и на изменение влажности им нет дела. А у полярных диэлектриков при увеличении влажности повышается содержание ионов, и электропроводность увеличивается.

Проводимость диэлектрика состоит из поверхностной и объемной проводимостей. Известно понятие удельной объемной проводимости, обозначается буквой сигма σ. А обратная величина называется удельное объемной сопротивление и обозначается буквой ро ρ.

Резкое увеличение проводимости в диэлектрике при возрастании напряжения может привести к электрическому пробою. И аналогично, если сопротивление изоляции падает, значит изоляция не справляется со своей задачей и необходимо применять меры. Сопротивление изоляции состоит из поверхностного и объемного сопротивлений.

Под диэлектрическими потерями в диэлектриках понимают потери тока внутри диэлектрика, которые рассеиваются в виде тепла. Для определения этой величины вводят параметр тангенс дельта tgδ. δ — угол, дополняющий до 90 градусов, угол между током и напряжением в цепи с емкостью.

Диэлектрические потери бывают: резонансные, ионизационные, на электропроводность, релаксационные. Теперь подробнее поговорим про каждый тип.

виды диэлектрических потерь

Электрическая прочность это отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами (или толщина диэлектрика). Эта величина определяется минимальной величиной напряженности электрического поля, при которой произойдет пробой.

Пробой может быть электрическим (ударная ионизация, фотоионизация), тепловым (большие диэлектрические потери, следовательно много тепла, и обугливание с оплавлением может произойти) и электрохимическим (в результате образования подвижных ионов).

И в конце таблица диэлектриков, как же без нее.

электрические характеристики диэлектриков таблица

В таблице выше приведены данные по электрической прочности, удельному объемному сопротивлению и относительной диэлектрической проницаемостью для различных веществ. Также тангенс угла диэлектрических потерь не обошли стороной.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector