Диэлектрики — Химия
- Проводниками называются вещества, по которым могут свободно перемещаться электрические заряды. Термин «проводник» является переводом с английского слова сonductor, который ввел Ж.Т.Дезагюлье в 1739 г. для обозначения «тел, действующих как каналы для транспорта электрической силы».
Проводниками являются металлы, электролиты (растворы, 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 практически каждый атом теряет электрон и становится положительным ионом. Например, у меди в 1 м3 свободных электронов 1029. Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном беспорядочном движении. Скорость такого движения примерно равна 105 м/с (100 км/с).
Не смотря на наличие внутри тела зарядов (свободных электронов и ионов), электрического поля внутри проводника нет. Отдельные заряженные частицы создают микроскопические поля. Но эти поля внутри проводника в среднем компенсируют друг друга (рис. 1).
- Если бы это условие не выполнялось, то свободные заряды, под действием кулоновских сил, пришли бы в движение. Они двигались бы до тех пор, пока действующая на них сила не обратилась бы в нуль.
Поместим незаряженный проводник, например, 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 беспорядочное движение, электроны начинают смещаться в сторону действия силы (скорость смещения порядка 0,1 мм/с).
На одной поверхности проводника образуется область с недостатком электронов, на противоположной – с избытком электронов. Это приводит к появлению еще одного электрического поля с напряженностью ( vec E_{np}) (рис. 3).
Общая напряженность ( vec E) электрического будет равна
( vec E = vec E_0 + vec E_{np}, ;; E = E_0 — E_{np}.)
Электрическая сила (F), действующая на свободные электроны с зарядом q:
(F = q cdot E.)
По мере смещения электронов, заряд на поверхности увеличивается. Это приводит к увеличению напряженности (E_{np}) и уменьшению общей напряженности (E) (т.к. (E = E_0 — E_{np})). И в какой-то момент напряженность (E_{np}) становится равной напряженности внешнего поля (E_0), т.е. (E_{np} = E_0), и общая напряженность поля внутри проводника становится равной нулю.
Электрическая сила (F) в этот момент также становится равной нулю, электроны перестают смещаться, но беспорядочное движение не прекращается. На поверхности проводника остаются электрические заряды.
Явление возникновения электрических зарядов на поверхности проводника под воздействием электрического поля называется электростатической индукцией, а возникшие заряды – индуцированными.
- Доля электронов, которые оказались на поверхности, очень мала. Например, если к медной пластинке толщиной в 1 см приложить напряжение в 1000 В, то эта доля составляет 10–10 % от всех свободных электронов.
Каким бы способом ни был заряжен проводник, внутри него поле отсутствует. Это позволяет использовать заземленные полые проводники со сплошными или сетчатыми стенками для электростатической защиты от внешних электростатических полей. Так, например, для защиты военных складов, служащих для хранения взрывчатых веществ, от удара молнии их окружают заземленной проволочной сетью.
- Впервые явление электростатической защиты было обнаружено М.Фарадеем в 1836 году. Он провел интересный опыт. Большая деревянная клетка была оклеена тонкими листами олова, изолирована от земли и сильно заряжена. В клетке находился сам Фарадей с очень чувствительным электроскопом. Несмотря на то, что при приближении к клетке тел, соединенных с землей, проскакивали искры, внутри клетки электрическое поле не обнаруживалось.
Диэлектрики в электростатическом поле
- Диэлектрики (изоляторы) — это вещества, в которых практически отсутствуют свободные носители зарядов. Термин «диэлектрик» происходит от греческого слова dia — через, сквозь и английского слова electric — электрический. Этот термин ввел М. Фарадей в 1838 г. для обозначения веществ, в которые проникает электрическое поле.
Резкой границы между проводниками и диэлектриками нет, так как все вещества в той или иной степени способны проводить электрический ток.
Но если в веществе свободных зарядов в 1015-1020 раз меньше, чем в металлах, то в таких случаях слабой проводимостью вещества можно пренебречь и считать его идеальным диэлектриком.
Почти все заряженные частицы внутри диэлектрика связаны между собой и не способны передвигаться по объему тела. Они могут только незначительно смещаться относительно своих равновесных положений.
Диэлектриками являются все неионизированные газы, многие чистые жидкости (дистиллированная вода, масла, бензины) и твердые тела (пластмассы, стекла, керамика, кристаллы солей, сухая древесина).
Существуют полярные и неполярные диэлектрики.
Неполярный диэлектрик
Рассмотрим схему простейшего атома – атома водорода (рис. 4).
Положительный заряд атома, заряд его ядра, сосредоточен в центре атома. Вокруг ядра движется электрон со скоростью порядка 106 м/с и уже за 10–9 с успевает совершить миллион оборотов.
Поэтому орбиту электрона можно рассматривать как электронное облако, расположенное симметрично относительно ядра.
Следовательно, даже за очень малый промежуток времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т.е. совпадает с положительно заряженным ядром.
- Диэлектрики, состоящие из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, называются неполярными.
Примерами таких веществ являются одноатомные благородные (инертные) газы; газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул (кислород, водород, азот); различные органические жидкости (масла, бензины); некоторые твердые тела (пластмассы).
Поместим такой диэлектрик в однородное электростатическое поле с напряженностью (vec E_0) .
На отрицательно и положительно заряженные частицы начинают действовать силы, направленные в противоположные стороны (рис. 5).
В результате молекула растягивается и происходит незначительное смещение центров положительного и отрицательного зарядов.
Образуется система двух точечных зарядов q, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 6). Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электрическим диполем.
Электрический диполь создает электрическое поле напряженностью Едi, которая направлена против напряженности внешнего поля Е0.
В диэлектрике, состоящем из множества таких диполей, с напряженность Едi, общая напряженность Е становится меньше напряженности внешнего поля Е0 (рис. 7).
Вследствие смещения зарядов на одной поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а на другой – положительные (рис. 8). Внутри любого объема диэлектрика суммарный электрический заряд молекул в этом объеме равен нулю.
- Заряды, которые образуются на поверхности диэлектрика, помещенного в электрическое поле, называются связанными.
- Смещение связанных положительных и отрицательных зарядов диэлектрика в противоположные стороны под действием приложенного внешнего электростатического поля называют поляризацией.
- Поляризация диэлектрика, в результате которой происходит смещение электронных оболочек, называется электронной поляризацией.
Электронная поляризация происходит в атомах любого диэлектрика, помещенного в электрическое поле.
Полярный диэлектрик
Многие диэлектрики (H2O, H2S, NO2) образованы из молекул, каждая из которых является электрическим диполем и в отсутствии внешнего электрического поля. Такие молекулы и образованные ими диэлектрики называются полярными.
Например, молекула поваренной соли NaCl. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков. Центр положительного заряда молекулы приходится на ион натрия (Na), а отрицательного – на ион хлора (Cl) (рис. 9).
При отсутствии внешнего поля молекулярные диполи из-за теплового движения расположены хаотично, поэтому их суммарный дипольный момент равен нулю.
Источник: https://himya.ru/dielektriki.html
Измерение удельного сопротивления диэлектриков
Фундаментальное свойство диэлектриков – это удельное сопротивление. Удельное сопротивление может быть использовано для определения пробоя диэлектрика, тангенса угла потерь, содержание влаги, механической целостности и других важных свойств материала. Для измерения таких больших величин сопротивления диэлектриков существуют специальные измерительные приборы – электрометры и используются они благодаря их способности измерять малые токи.
От чего зависит удельное сопротивление?
Удельное сопротивление диэлектрика — это измерение источника известного напряжения, приложенного к образцу, измерение полученного тока и расчета сопротивления с помощью закона Ома. После измерения сопротивления, удельное сопротивление определяется на основе физических параметров испытуемого образца.
Удельное сопротивление зависит от нескольких факторов. Во-первых, оно зависит от приложенного напряжения. Иногда напряжение может изменяться умышленно, чтобы определить зависимость напряжения диэлектрика.
Удельное сопротивление также варьируется в зависимости от продолжительности времени, электрификации. Чем больше напряжение, тем выше сопротивление, потому что материал продолжает заряжаться в геометрической прогрессии.
Экологические факторы также влияют на удельное сопротивление диэлектрика. В общем, чем выше влажность, тем ниже сопротивление.
Для получения точных сведений теста нужно, чтобы приложенное напряжение, время электрификации и условия окружающей среды должны быть постоянными.
Поверхностное сопротивление
Поверхностное сопротивление (Ом/квадрат) — способность пропускать электрический ток по поверхности диэлектрика — определяется как электрическое сопротивление поверхности диэлектрического материала. Измерение происходит от электрода к электроду вдоль поверхности образца диэлектрика. Так как длина поверхности фиксированная, то измерение не зависит от физических размеров (т.е. толщины и диаметра) образца диэлектрика.
Объемное удельное сопротивление
Объемное удельное сопротивление (Ом*см) — способность пропускать электрический ток через его объем — измеряется путем приложения потенциала напряжения на противоположных сторонах образца диэлектрика и измерения результирующего тока через образец.
Объемное удельное сопротивление определяется как электрическое сопротивление с помощью куба из диэлектрического материала.
Если значение выражено в Ом*см, то это измерение электрического сопротивления через 1 сантиметр куба диэлектрического материала. Если выражено в Ом*Дюйм, то это электрическое сопротивление через 1 дюйм куба изоляционного материала.
Приборы для измерения удельного сопротивления диэлектриков
Измерения поверхностного и объемного удельного сопротивления производятся с помощью электрометра Keithley 6517B совместно с испытательной камерой удельного сопротивления Keithley 8009.
Ниже указана ссылка, где Вы можете прочитать подробнее об измерениях удельного сопротивления при помощи электрометра Keithley 6517B >>
и тестовой оснастки (испытательной камеры удельного сопротивления) Keithley 8009 >>>
Консультация специалиста по оборудованию и проведению измерений
Источник: https://sernia.ru/training/izmerenie_udelnogo_soprotivleniya_dielektrikov/
Диэлектрики: что это такое, 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.
Что такое диэлектрики и их примеры
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.
https://www.youtube.com/watch?v=BcN-08nLOXs
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.
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.
Опиши задание
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.
Рисунок 1
+q,−q представляют собой заряды на обкладках конденсатора.
E→ является напряженностью поля, которое формируется обкладками конденсатора.
−q′, +q′- это заряды диэлектрика.
Источник: https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/elektricheskoe-pole/dielektriki/
Диэлектрики в электрическом поле (Примеры решения задач)
Укажите ошибочныеутверждения:
| а) | заряды Q1 и Q2 называются сторонними зарядами; |
| б) | Q1>0; |
| в) | Q1+Q2=0; |
| г) | векторы напряженности внутри стеклянной пластины и вне пластины направлены в противоположные стороны. |
Ответ а, б, г.Заряды Q1 и Q2появились на поверхностях пластины врезультате поляризации стекла в полезаряженного конденсатора, они принадлежатмолекулам пластины и называютсясвязанными зарядами.
Полярность зарядаQ1 отрицательна,так как против поля смещаются отрицательныезаряды.
Пластина из однородного иизотропного диэлектрика (стекло –аморфный материал) размещена междуэквипотенциальными поверхностями полясторонних зарядов (конденсатора), поэтомуполе внутри пластины коллинеарно полю .
2) Векторы смещения и напряженности в одной и той же точке диэлектрика связаны соотношением , если диэлектрик:
| а) | однородный и изотропный; |
| б) | однородный и анизотропный; |
| в) | неоднородный и изотропный. |
Ответ а, в.При не очень сильных полях поляризованность изотропного диэлектрика связана с полемвнутри диэлектрика соотношением (см. п. 4). Величины и являются локальными характериками иих пропорциональность соблюдается прине очень сильных полях и для неоднородноговещества. Так как вектор смещения,соотношение ,где ,верно как для однородного, так и длянеоднородного изотропного диэлектрика.При наличии анизотропии вектор ,в общем случае, не коллинеарен вектору.
3) Как изменятся потоки векторов напряженности и смещения через замкнутую поверхность s, которая охватывает часть наэлектризованного трением диэлектрика, если включить внешнее электрическое поле?
| а) | поток вектора изменится, поток вектора не изменится; |
| б) | поток вектора изменится, поток вектора не изменится; |
| в) | оба потока изменятся. |
Ответ а.При электризации трением на поверхностидиэлектрика появились сторонние зарядыи соответствующие им связанные заряды.Если включить внешнее поле, поверхностнаяконцентрация связанных зарядов врезультате поляризации изменится. Этоприведет к изменению потока вектора ,так как он определяется алгебраическойсуммой всех зарядов внутри поверхностиS. Поток вектора зависит только от сторонних зарядов иостанется прежним.
4) К границераздела двух диэлектриков прилегаетвоображаемая замкнутая поверхность Aв виде бесконечно тонкого прямогоцилиндра с площадью основания S.На границе отсутствуют сторонние заряды.Если и — векторы напряженности электрическогополя вблизи границы в первом и второмдиэлектриках, и — проекции этих векторов на нормаль к границе раздела, то:
| а) | поток через замкнутую поверхность A равен ; |
| б) | поток через замкнутую поверхность A равен ; |
| в) | поверхностная плотность связанных зарядов на границе раздела . |
Ответ б, в.Поток через поверхность Aскладывается из потока вектора через верхнее основание цилиндра ипотока вектора через нижнее основание. Поток черезбоковую поверхность равен нулю, так какцилиндр бесконечно тонкий. В соответствиис определением и ,где — единичный вектор внешней по отношениюк поверхности A нормалик нижнему основанию цилиндра. Поэтому.В соответствии с теоремой Гаусса длявектора величина равна сумме всех зарядов внутриповерхности A, деленнойна .
По условиюсторонние заряды отсутствуют, а суммасвязанных зарядов равна .В результате .
5) Точки 1 и2 примыкают к границе раздела двухразличных диэлектриков и расположеныпо разные стороны от нее. Сторонниезаряды на границе раздела отсутствуют.Сплошной стрелкой указан вектор смещенияэлектрического поля в точке 1.
Укажитеправильное направление векторовнапряженности и смещенияв точке 2.
Ответ.Направление Б соответствует вектору.Это следует из условия непрерывностинормальной составляющей вектора на границе раздела двух диэлектриковв отсутствие сторонних зарядов.
6) В однородномизотропном диэлектрике проницаемостиобъемные плотности сторонних и связанных зарядов удовлетворяют уравнениям:
| а) | , ; |
| б) | , . |
Ответ а.Первая формула в варианте а) – этоформулировка теоремы Гаусса для поляв локальной форме. Вторая формулаварианта а) следует из теоремы Гауссадля вектора ,если диэлектрик однородный и изотропный.Для однородного диэлектрика и диэлектрическую проницаемость можновынести за знак «»,для изотропного диэлектрика справедливосоотношение .
Пример 1.Поле в диэлектрике. Поверхностныйсвязанный заряд.
Точечный зарядq находится в центрешарового слоя из однородного изотропногодиэлектрика. Внутренний и внешнийрадиусы слоя равны и .Проницаемость диэлектрика .Внутри и вне слоя .
Определите:
а) модуль Eвектора напряженности электрическогополя как функцию расстояния rот центра слоя (постройте графикзависимости E(r));
б) связанныезаряды и на внутренней и внешней поверхностяхслоя.
Решение:
Чтобы определитьзависимость E(r),найдем предварительно величинуэлектрического смещения D(r).Для этого воспользуемся теоремой Гауссадля вектора (см. п. 8).
С учетом сферической симметриираспределения вещества диэлектрикаотносительно заряда, электрическиеполя смещения и напряженности такжеявляются сферически симметричными.
Поэтому поток поля смещения черезсферическую поверхность произвольногорадиуса r с центром вточке нахождения заряда равен .Откуда получим для любых значений rкак внутри так и вне диэлектрика.
Для изотропныхдиэлектриков (см. п. 9), поэтому:
вне диэлектрика при rr2и
внутри диэлектрика при r1
Источник: https://studfile.net/preview/6398650/
