Проводники диэлектрики в электрическом поле

Проводниками являются металлы, электролиты (смеси, проводящие ток) плазма. В металлах носителями зарядов являются свободные электроны, в электролитах – положительные и отрицательные ионы, в плазме – свободные электроны и ионы.

У большинства металлов фактически каждый атом теряет электрон и становится положительным ионом. К примеру, у меди в 1 м 3 свободных электронов 10 29 . Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотичном движении. Скорость такового движения приблизительно равна 10 5 м/с (100 км/с).

Не глядя на наличие снутри тела зарядов (свободных электронов и ионов), электрического поля снутри проводника нет. Отдельные заряженные частички делают микроскопичные поля. Но эти поля снутри проводника в среднем компенсируют друг дружку (рис. 1).

• Если б это условие не производилось, то свободные заряды, под действием кулоновских сил, пришли бы в движение. Они двигались бы до того времени, пока действующая на них сила не обратилась бы в нуль.

Поместим незаряженный проводник, к примеру, металл, в однородное электростатическое поле с напряженностью \(~\vec E_0\). На свободные электроны начинают действовать электрические силы \(\vec F\), под действием которых электроны приходят в движение (рис. 2). Продолжая хаотичное движение, электроны начинают сдвигаться в сторону деяния силы (скорость смещения порядка 0,1 мм/с).

На одной поверхности проводника появляется область с недочетом электронов, на обратной – с излишком электронов. Это приводит к возникновению еще 1-го электрического поля с напряженностью \( \vec E_\) (рис. 3).

Общая напряженность \( \vec E\) электрического будет равна

\( \vec E = \vec E_0 + \vec E_, \;\; E = E_0 — E_.\)

Электрическая сила \(F\), действующая на свободные электроны с зарядом q:

По мере смещения электронов, заряд на поверхности возрастает. Это приводит к повышению напряженности \(E_\) и уменьшению общей напряженности \(E\) (т.к. \(E = E_0 — E_\)). И в некий момент напряженность \(E_\) становится равной напряженности наружного поля \(E_0\), т.е. \(E_ = E_0\), и общая напряженность поля снутри проводника становится равной нулю.

Электрическая сила \(F\) в этот момент также становится равной нулю, электроны перестают сдвигаться, но хаотичное движение не прекращается. На поверхности проводника остаются электрические заряды.

Явление появления электрических зарядов на поверхности проводника под воздействием электрического поля именуется электростатической индукцией, а возникшие заряды – индуцированными.

• Толика электронов, которые оказались на поверхности, очень мала. К примеру, если к медной пластинке шириной в 1 см приложить напряжение в 1000 В, то эта толика составляет 10 –10  % от всех свободных электронов.

Каким бы методом ни был заряжен проводник, снутри него поле отсутствует. Это позволяет применять заземленные полые проводники со сплошными либо сетчатыми стенами для электростатической защиты от наружных электростатических полей. Так, к примеру, для защиты военных складов, служащих для хранения взрывчатых веществ, от удара молнии их окружают заземленной проволочной сетью.

• В первый раз явление электростатической защиты было найдено М.Фарадеем в 1836 году. Он провел увлекательный опыт. Большая древесная клеточка была оклеена тонкими листами олова, изолирована от земли и сильно заряжена. В клеточке находился сам Фарадей с очень чувствительным электроскопом. Невзирая на то, что при приближении к клеточке тел, соединенных с землей, проскакивали искры, снутри клеточки электрическое поле не обнаруживалось.

Диэлектрики в электростатическом поле

• Диэлектрики (изоляторы) — это вещества, в каких фактически отсутствуют свободные носители зарядов. Термин «диэлектрик» происходит от греческого слова dia — через, через и британского слова electric — электрический. Этот термин ввел М. Фарадей в 1838 г. для обозначения веществ, в которые просачивается электрическое поле.

Резкой границы между проводниками и диэлектриками нет, так как все вещества в той либо другой степени в состоянии проводить электрический ток. Но если в веществе свободных зарядов в 10 15 -10 20 раз меньше, чем в металлах, то в таких случаях слабенькой проводимостью вещества можно пренебречь и считать его безупречным диэлектриком.

Практически все заряженные частички снутри диэлектрика связаны между собой и не в состоянии передвигаться по объему тела. Они могут только некординально сдвигаться относительно собственных сбалансированных положений.

Диэлектриками являются все неионизированные газы, многие незапятнанные воды (дистиллированная вода, масла, бензины) и твердые тела (пластмассы, стекла, керамика, кристаллы солей, сухая древесная порода).

Есть полярные и неполярные диэлектрики.

Неполярный диэлектрик

Разглядим схему простого атома – атома водорода (рис. 4).

Положительный заряд атома, заряд его ядра, сосредоточен в центре атома. Вокруг ядра движется электрон со скоростью порядка 10 6 м/с и уже за 10 –9 с успевает совершить миллион оборотов. Потому орбиту электрона можно рассматривать как электронное скопление, расположенное симметрично относительно ядра. Поэтому, даже за очень малый промежуток времени центр рассредотачивания отрицательного заряда приходится на середину атома, т.е. совпадает с положительно заряженным ядром.

• Диэлектрики, состоящие из атомов и молекул, у каких центры рассредотачивания положительных и отрицательных зарядов совпадают, именуются неполярными.

Примерами таких веществ являются одноатомные великодушные (инертные) газы; газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул (кислород, водород, азот); разные органические воды (масла, бензины); некоторые твердые тела (пластмассы).

Поместим таковой диэлектрик в однородное электростатическое поле с напряженностью \(\vec E_0\) .

На негативно и положительно заряженные частички начинают действовать силы, направленные в обратные стороны (рис. 5).

В итоге молекула растягивается и происходит малозначительное смещение центров положительного и отрицательного зарядов. Появляется система 2-ух точечных зарядов q, равных по модулю и обратных по знаку, находящихся на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 6). Такую нейтральную в целом систему зарядов именуют электрическим диполем. Электрический диполь делает электрическое поле напряженностью Едi, которая ориентирована против напряженности наружного поля Е0.

В диэлектрике, состоящем из огромного количества таких диполей, с напряженность Едi, общая напряженность Е становится меньше напряженности наружного поля Е0 (рис. 7).

Вследствие смещения зарядов на одной поверхности диэлектрика возникают в большей степени отрицательные заряды диполей, а на другой – положительные (рис. 8). Снутри любого объема диэлектрика суммарный электрический заряд молекул в этом объеме равен нулю.

• Заряды, которые образуются на поверхности диэлектрика, помещенного в электрическое поле, именуются связанными.

• Смещение связанных положительных и отрицательных зарядов диэлектрика в обратные стороны под действием приложенного наружного электростатического поля именуют поляризацией.

• Поляризация диэлектрика, в итоге которой происходит смещение электронных оболочек, именуется электронной поляризацией.

Электронная поляризация происходит в атомах любого диэлектрика, помещенного в электрическое поле.

Полярный диэлектрик

Многие диэлектрики (H2O, H2S, NO2) образованы из молекул, любая из которых является электрическим диполем и в отсутствии наружного электрического поля. Такие молекулы и образованные ими диэлектрики именуются полярными.

К примеру, молекула поваренной соли NaCl. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома преобразуются в систему из 2-ух ионов с зарядами обратных символов. Центр положительного заряда молекулы приходится на ион натрия (Na), а отрицательного – на ион хлора (Cl) (рис. 9).

При отсутствии наружного поля молекулярные диполи из-за термического движения размещены беспорядочно, потому их суммарный дипольный момент равен нулю.

Поместим полярный диэлектрик в однородное электростатическое поле с напряженностью \(\vec E_0\) . Со стороны этого поля на диполь будут действовать две силы, однообразные по модулю и обратные по направлению. Эти силы делают крутящий момент, стремящийся повернуть диполь так, дабы его ось была ориентирована по полосы напряженности поля (рис. 10). Но этому препятствует термическое движение. В итоге молекула поворачивается только отчасти (рис. 11).

Поворот электрических диполей приводит к возникновению еще 1-го электрического поля с напряженностью Едi, которая ориентирована против напряженности наружного поля Е0. В таком диэлектрике общая напряженность Е становится меньше напряженности наружного поля Е0.

Вследствие поворота молекул на одной поверхности диэлектрика возникают в большей степени отрицательные заряды диполей, а на другой – положительные (см. рис. 11). Такие заряды именуются связанные.

Снутри диэлектрика отрицательные и положительные заряды диполей компенсируют друг дружку и средний электрический заряд диэлектрика равен нулю.

• Таковой механизм поляризации именуется ориентационным.

• Полная ориентация диполей (состояние насыщения) может быть достигнута только в сильных полях при температурах, близких к абсолютному нулю.

• Для насыщение при комнатных температурах нужны поля напряженностью 10 10 – 10 12 В/м. Но в большинстве случаев, даже при существенно наименьших напряженностях, наступает пробой диэлектрика.

У полярных диэлектриков, вместе с ориентационной поляризацией, наблюдается и электронная поляризация. Но эффект ориентации диполей на несколько порядков превосходит эффект смещения зарядов, потому последним нередко третируют.

Диэлектрическая проницаемость

Таким макаром, во всех диэлектриках, помещенных в электростатическое поле, происходит уменьшение напряженности этого поля. Степень ослабления поля находится в зависимости от параметров диэлектрика. Для свойства электрических параметров диэлектриков вводится особенная величина, именуемая диэлектрической проницаемостью.

• Диэлектрическая проницаемость ε — это физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля E0 в вакууме к модулю напряженности электростатического поля Ε снутри однородного диэлектрика

Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ приведены в таблице 1.

Диэлектрическая проницаемость

В диэлектриках при расчете кулоновских сил, напряженностей и потенциалов полей нужно учесть ослабление электрического поля в ε раз. К примеру,

Проводники диэлектрики в электрическом поле

В электричестве выделяют три главных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Главным их различием является возможность проводить ток. В этой статье мы разглядим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.

Что такое проводник

Вещество, в каком находятся свободные носители зарядов, именуют проводником. Движение свободных носителей именуют термическим. Основной чертой проводника является его сопротивление (R) либо проводимость (G) – величина оборотная сопротивлению.

Говоря ординарными словами – проводник проводит ток.

К таким субстанциям можно отнести металлы, но если гласить о неметаллах то, к примеру, углерод – хороший проводник, отыскал использование в скользящих контактах, к примеру, щетки электродвигателя. Мокроватая почва, смеси солей и кислот в воде, человеческое тело – тоже проводит ток, но их электропроводность часто меньше, чем у меди либо алюминия, к примеру.

Металлы являются хорошими проводниками, как раз таки благодаря большенному числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают передвигаться, также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками именуют вещества, которые не проводят ток, либо проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, так как связь частиц атома довольно мощная, для образования свободных носителей, потому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не появляется.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесная порода, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются везде, к примеру, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы производятся из диэлектриков.

Но, при наличии определенных причин, к примеру завышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Время от времени вы сможете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать коротко, то основными качествами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Конкретно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и иных проблем. Основной чертой диэлектрика является электрическая крепкость – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных критерий – сообщении веществу энергии в подходящих количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов очень не достаточно либо их совсем нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть разных форм – электрической, термический. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут появляться под воздействием излучений, к примеру в УФ-спектре.

Где используются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, консистенции различных материалов, к примеру арсенид-галия, селен, мышьяк.

Дабы осознать, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, необходимо рассматривать эти материалы исходя из убеждений зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория обрисовывает наличие либо отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем либо слоем именуют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – обычных частиц), их определяют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Направьте внимание, что у проводника энерго уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это именуется зоной перекрытия. Зависимо от наличия электрического поля (напряжения), температуры и иных причин количество электронов может изменяться. Благодаря вышеперечисленному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сказать им какое-то малое количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости находится определенная нелегальная. Ширина нелегальной зоны обрисовывает, какое количество энергии необходимо сказать полупроводнику, дабы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая обрисовывает полупроводники, но отличие только в ширине нелегальной зоны – она тут во много раз большая. Различия обоснованы внутренним строением и вещества.

Мы разглядели главные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Основным их различием является способность проводить ток. Потому любой из них отыскал свою сферу использования: проводники применяются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Возлагаем надежды, предоставленная информация посодействовала для вас осознать, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, также в чем их отличие между собой.