Какие вещества относятся к диэлектрикам

Существуют вещества, которые очень хорошо проводят электричество, т.е. проводники. Их противоположностью являются диэлектрики, или изоляторы. Блокируют ли изоляторы протекание электрического тока? Существуют ли ситуации, в которых можно преодолеть сопротивление таких изоляторов и сделать возможным протекание электрического тока? Как ведут себя диэлектрики во внешнем электрическом поле? Все это вы узнаете в данном материале.

Мы можем определить понятие диэлектрика по удельному сопротивлению (резистивности) этого материала. Мы определяем удельное сопротивление ρ как электрическое сопротивление проводника из однородного материала с площадью поперечного сечения S, равной одному квадратному метру, и длиной l, равной одному метру. Однако в данной стать будет более уместно связать удельное сопротивление материала с напряженностью электрического поля. Внутри материала, по которому течет электрический ток плотностью j , существует поле напряженности E . Для однородного и изотропного материала мы можем записать удельное сопротивление как отношение значений этих двух векторов:

ρ = E / j

В системе СИ единицей удельного сопротивления является Ом на метр (Ом * м).

Удельное сопротивление — это постоянная величина, характеризующая материал. Чем выше значение удельного сопротивления, тем хуже материал проводит электричество. Предполагается, что удельное сопротивление диэлектриков больше 10 7 Ом*м, в то время как хорошие проводники имеют значение удельного сопротивления порядка 10 -8 — 10 -6 Ом*м.

Проводимость — это «перенос» электрических зарядов носителями. К таким носителям относятся электроны. В металлах, например, валентные электроны отрываются от отдельных атомов и под воздействием приложенного электрического поля перемещаются по металлу, неся отрицательный заряд. Поэтому в металле течет электрический ток. Металл является хорошим проводником.

В изоляторах, с другой стороны, заряды относительно неподвижны.

Поскольку диэлектрики имеют очень высокие значения электрического сопротивления (обычно порядка гига Ом), для получения даже небольшого тока необходимо приложить высокое электрическое напряжение порядка гигавольт. Это повлечет за собой разрушение диэлектрика.

Таким образом, мы видим, что проведение электрического тока через диэлектрики невозможно.

Типы диэлектриков и их свойства

Диэлектрики обладают очень интересными свойствами. При помещении во внешнее электрическое поле они подвергаются электрической поляризации. При этом внутри диэлектрика образуется электрическое поле, направленное противоположно внешнему полю, вызвавшему поляризацию.

Откуда она берется? Почему внутри диэлектрика возникает электрическое поле? Давайте поищем ответ в молекулярной структуре диэлектриков.

Существует два типа диэлектриков: полярные и неполярные.

Полярные диэлектрики — это диэлектрики, молекулы которых являются постоянными диполями. Диполь — это расположение двух разнородных электрических зарядов одинаковой величины q на расстоянии l друг от друга.

Изоляторы и диэлектрики: в чём разница?

Величина, характеризующая диполи, — это дипольный момент ρ . Дипольный момент определяется как произведение величины заряда q и вектора l имеющий величину, равную расстоянию между зарядами, направлению прямой линии, соединяющей заряды, и возврату от отрицательного заряда к положительному:

Схематический рисунок электрического диполя

Единицей дипольного момента является произведение кулона и метра (Кл*м).

В полярных диэлектриках молекулы обладают собственным дипольным моментом.

Примерами полярных диэлектриков являются соляная кислота (HCl) с дипольным моментом = 3,70*10 -30 Кл*м и вода (H2O) с дипольным моментом = 6,15*10 -30 Кл*м.

Молекула воды как диполь

Если такой диполь поместить во внешнее электрическое поле напряженностью E , то на него будет действовать момент силы M :

Поэтому момент силы заставит диполь повернуться так, чтобы его ось была направлена вдоль линии поля, как показано на рисунке 3.

Диполь, помещенный в электрическое поле

Этот момент исчезнет, когда векторы ρ и E станут параллельными.

Неполярные диэлектрики не имеют собственного дипольного момента (их дипольный момент равен нулю). Однако мы можем получить момент, поместив такой атом или молекулу во внешнее электрическое поле. В этом случае положительные заряды (ядра) и отрицательные заряды (электроны) разделяются.

Примерами неполярных диэлектриков являются водород (H2) и метан (CH4). Без поля они имеют нулевой дипольный момент.

Существует также группа диэлектриков с особыми свойствами. К таким диэлектрикам относятся пьезоэлектрики, пироэлектрики и ферроэлектрики.

Пьезоэлектрики — это кристаллы, в которых под действием механического напряжения индуцируются электрические заряды. То есть, под давлением (или растяжением) мы можем генерировать электрическое поле.

Примером пьезоэлектрика является кварц. Пьезоэлектрики применяются в качестве электроакустических преобразователей, например, в громкоговорителях, а также в качестве искровых промежутков в сигаретных зажигалках.

Пироэлектрики — это вещества (обычно кристаллы), в которых поляризация происходит при изменении температуры, например, при нагревании.

Примером пироэлектрика является сульфат триглицина. Пироэлектрики являются частным случаем пьезоэлектриков. Пироэлектрики могут найти применение в тепловизионных матрицах.

Третий тип диэлектриков, о котором стоит знать, — это ферроэлектрики. Ферроэлектрики приобретают дипольный момент при помещении во внешнее электрическое поле, но, в отличие от других диэлектриков, этот момент не исчезает, когда значение внешнего поля достигает нуля. Дипольный момент ферроэлектрика изменяется, как показано на диаграмме ниже — такая зависимость называется гистерезисом (от греческого hysteresis — задержка).

Петля гистерезиса изменение дипольного момента ферроэлектрика в зависимости от напряженности внешнего электрического поля

На рис. 4 мы видим петлю гистерезиса, зависимость дипольного момента p от напряженности поля E. Первоначально напряженность поля и дипольный момент равны 0. По мере увеличения напряженности поля значение дипольного момента также увеличивается.

Затем значение напряженности электрического поля уменьшается — значение дипольного момента также уменьшается, но это уменьшение «запаздывает», как показано на кривой 2.

Когда значение E снова равно 0 — значение дипольного момента pr (остаточная поляризация). Дипольный момент достигает нуля только для E = Ec, направленного противоположно исходному полю. После достижения минимума значения E и p снова увеличиваются, на этот раз в виде части гистерезиса, обозначенной — 3.

Ферроэлектрики являются частным случаем пироэлектриков.

Что касается агрегатного состояния, то различают диэлектрики:

  • твердые — это могут быть как органические материалы (такие как парафин, бумага, дерево или резина), так и неорганические (такие как фарфор, асбест или стекло),
  • жидкость (например, минеральные, синтетические или силиконовые масла),
  • газообразные, которые часто используются в системах электроизоляции (например, благородные газы — аргон, гелий, неон; аммиак, воздух, углекислый газ).

§ 12.7 Диэлектрики. Типы диэлектриков и их поляризация

В 1729 г. английский физик Стефан Грей обнаружил, что электрический заряд может перемещаться по одним телам и не перемещаться по другим. Например, по металлической проволоке электричество в его опытах распространялось, а по шелковой нити нет. С тех пор все вещества стали делиться на проводники и непроводники электричества. Последние были названы Фарадеем диэлектриками.

Введённый Фарадеем в 1837 г. термин «диэлектрики» образован от двух слов — греческого «диа» (что значит «через») и английского electric (электрический).

Диэлектриком называют вещество, которое не проводит электрический ток, следовательно в это веществе отсутствуют свободные заряженные частицы (т.е. таких заряженных частиц, которые способны свободно перемещаться по всему объёму тела). Такими частицами могли бы быть электроны, но в идеальном диэлектрике все электроны связаны с ядром атома, т.е. принадлежат отдельным атомам, и свободно перемещаться по телу не могут. Чтобы нарушить эту связь, нужны сильные воздействующие факторы.

Диэлектрики обладают способностью пропускать через себя электростатическое поле. Проникая через диэлектрики электростатическое поле ослабевает, но всё-таки не до нуля, как это происходит в металлах.

Диэлектриками могут быть вещества в трёх агрегатных состояниях: газообразном (азот, водород), жидком (чистая вода), твёрдом (янтарь, фарфор, кварц).

Всякая молекула представляет собой систему с суммарным зарядом, равным нулю. Поведение молекулы во внешнем электрическом поле эквивалентно диполю. Положительный заряд такого диполя равен суммарному заряду ядер, помещён в «центр тяжести» положительных зарядов; отрицательный заряд равен суммарному заряду электронов и помещён в «центр тяжести» отрицательных зарядов.

Все диэлектрики делятся на три группы: полярные, неполярные и кристаллические.

  • Полярные диэлектрики состоят из молекул, которые имеют асимметричное строение, что приводит к несовпадению «центров тяжести» положительных и отрицательных зарядов в молекуле (рис.12.20). Молекула в этом случае представляет собой диполь. В отсутствие внешнего поля Е0,благодаря тепловому движению молекул, дипольные моменты ориентированы хаотически и суммарный дипольный момент всех молекул равен нулю . К таким диэлектрикам относятся фенол, нитробензол.
  • Неполярные диэлектрики состоят из атомов и молекул, которые имеют симметричное строение (рис.12.21) , т.е. «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают в отсутствие внешнего электрического поля и, следовательно, не обладают собственным дипольным моментом. К ним относят инертные газы, бензол, парафин, водород, кислород.
  • Кристаллические диэлектрики имеют ионную структуру, — это слабополярные диэлектрики. К ним относятся NaCl, KCl.

При помещении диэлектрика в электрическое поле в его объёме и на поверхности появляются макроскопические заряды. Указанные заряды возникают в результате поляризации диэлектриков. Поляризацией диэлектриканазывается процесс ориентации диполей, т.е. смещение положительных и отрицательных зарядов внутри диэлектрика в противоположные стороны. Трём группам диэлектриков соответствует три вида поляризации. Дипольная (ориентационная) поляризация. При отсутствии внешнего поля дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю (рис.12.22, а) . Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле (рис.12.22, б) , то силы этого поля будут стремится повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент. Эта ориентация дипольных моментов молекул по полю тем сильнее, чем больше напряжённость электрического поля и ниже температура. Электронная поляризация. Если неполярную молекулу поместить во внешнее электрическое поле Е0, то под действием электрического поля происходит деформация её электронных орбит и молекулы диэлектрика превращаются в диполи, сразу ориентированные вдоль внешнего поля (ядра молекулы при этом смещаются по полю, а электронная оболочка вытягивается против поля и молекула приобретает дипольный момент (рис. 12.23). Ионная поляризация. Если кристаллический диэлектрик (NaCl) имеющий кристаллическую решётку, в узлах которой правильно чередуются положительные и отрицательные ионы, поместить во внешнее электрическое поле Е0, то произойдёт смещение положительных ионов решётки вдоль направления поля, а отрицательных ионов – в противоположную сторону. В результате диэлектрик поляризуется. Такого рода поляризация называется ионной. Степень ионной поляризации зависит от свойств диэлектрика и от напряжённости поля.

Пробой диэлектриков

Плотность электрического тока j j через диэлектрик пропорциональна напряжённости электрического поля E boldsymbol E (закон Ома): j = σ E =σboldsymbol j = σ E , где σ σ – электрическая проводимость диэлектрика. Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом значении E пр boldsymbol_ E пр ​ наступает электрический пробой диэлектрика. Величина E пр boldsymbol_ E пр ​ называется электрической прочностью диэлектрика . При пробое почти весь ток течёт по узкому каналу ( шнурование тока ). В этом канале j j достигает больших величин, что может привести к разрушению диэлектрика: образуется сквозное отверстие или диэлектрик проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции; например, в органических диэлектриках осаждается углерод, в ионных кристаллах – металл (металлизация канала) и т. п. Пробою способствуют всегда присутствующие в диэлектрике неоднородности, поскольку в местах неоднородностей поле E boldsymbol E может локально возрастать.

В твёрдых диэлектриках различают тепловой и электрический пробои. При тепловом пробое с ростом j j растёт количество теплоты, выделяемое в диэлектрике, и, следовательно, температура диэлектрика, что приводит к увеличению числа носителей заряда n n и уменьшению удельного электрического сопротивления ρ ρ . При электрическом пробое с ростом поля возрастает генерация носителей заряда под действием поля и ρ ρ тоже уменьшается.

Электрическая прочность жидких диэлектриков в сильной степени зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно понижает E пр boldsymbol_ E пр ​ . Для чистых однородных жидких диэлектриков E пр boldsymbol_ E пр ​ близка к E пр boldsymbol_ E пр ​ твёрдых диэлектриков. Пробой в газе связан с ударной ионизацией и проявляется в виде электрического разряда.

Нелинейные свойства диэлектриков

Линейная зависимость P = ε 0 ϰ E boldsymbol=_0boldsymbol P = ε 0 ​ ϰ E справедлива только для полей E boldsymbol E , значительно меньших внутрикристаллических полей E кр boldsymbol_ E кр ​ ( E кр boldsymbol_ E кр ​ порядка 10 8 В/см). Так как E пр ≪ E кр boldsymbol_≪boldsymbol_ E пр ​ ≪ E кр ​ , то в большинстве диэлектриков не удаётся наблюдать нелинейную зависимость P ( E ) boldsymbol P ( E ) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики , в которых в сегнетоэлектрические области и вблизи точек фазовых переходов наблюдается сильная нелинейная зависимость P ( E ) boldsymbol P ( E ) . При высоких частотах электрическая прочность диэлектриков повышается, поэтому нелинейные свойства любых диэлектриков проявляются в ВЧ-полях больших амплитуд. В частности, в луче лазера могут быть созданы электрические поля напряжённостью порядка 10 8 В/см, в которых становятся существенными нелинейные свойства диэлектриков, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и другие нелинейные эффекты ( нелинейная оптика ).

Диэлектрики используются главным образом как электроизоляционные материалы. Пьезоэлектрики применяются для преобразования механических сигналов (перемещений, деформаций , звуковых колебаний ) в электрические и наоборот (пьезоэлектрический преобразователь); пироэлектрики – как тепловые детекторы различных излучений, особенно ИК-излучения; сегнетоэлектрики , будучи также пьезоэлектриками и пироэлектриками, применяются, кроме того, как конденсаторные материалы (из-за высокой диэлектрической проницаемости), а также как нелинейные элементы и элементы памяти в разнообразных устройствах. Большинство оптических материалов является диэлектриками.

Опубликовано 16 декабря 2022 г. в 21:00 (GMT+3). Последнее обновление 16 декабря 2022 г. в 21:00 (GMT+3). Связаться с редакцией

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий