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.
Что такое диэлектрик?
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 107 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.
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:
ρ = q * l
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.
Если такой диполь поместить во внешнее электрическое поле напряженностью E, то на него будет действовать момент силы M:
M = ρ * E
Поэтому момент силы заставит диполь повернуться так, чтобы его ось была направлена вдоль линии поля, как показано на рисунке 3.
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).
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).