Какими свойствами обладают диэлектрики
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 12 августа 2019;
проверки требуют 4 правки.
Иное название этого понятия — «изолятор»; см. также другие значения.
Диэле́ктрик (изолятор) (от греч. dia — через и англ. electric — электрический) — вещество (материал), относительно плохо проводящее электрический ток. Электрические свойства диэлектриков определяются их способностью к поляризации во внешнем электрическом поле. Термин введён английским физиком М. Фарадеем[1].
Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. В электродинамике диэлектрик — среда с малым на рассматриваемой частоте значением тангенса угла диэлектрических потерь ()[2], в такой среде сила тока проводимости[3] много меньше силы тока смещения.
Под идеальным диэлектриком понимают среду со значением , прочие диэлектрики называют реальными или диэлектриками (средами) с потерями. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.
Исследование диэлектрических свойств касается хранения и рассеивания электрической и магнитной энергии в материалах</ref>[4][5]. Диэлектрики важны для объяснения различных явлений в электронике, оптике, физике твердого тела и клеточной биофизике.
Терминология[править | править код]
Хотя термин «изолятор» подразумевает низкую электрическую проводимость, диэлектрик обычно означает материалы с высокой поляризуемостью. Последнее выражается числом, называемым относительной диэлектрической проницаемостью. Термин «изолятор» обычно используется для обозначения электрической непроходимости, тогда как термин «диэлектрик» используется для указания способности материала к накоплению энергии (посредством поляризации). Термин диэлектрик был придуман Уильямом Уэвеллом (от dia + electric) в ответ на запрос Майкла Фарадея[6][7]. Идеальным диэлектриком является материал с нулевой электрической проводимостью[8].
Физические свойства[править | править код]
Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 108 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10−5—108 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композитов со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.
Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические электромагнитные свойства на радиочастотах сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.
Удельное сопротивление деионизированной воды (см. также: бидистиллят) — 18 МОм·см.
Параметры[править | править код]
Параметры диэлектриков определяют их механические (упругость, прочность, твердость, вязкость), тепловые (тепловое расширение, теплоемкость, теплопроводность), электрические (электропроводность, поляризация, поглощение энергии, электрическая прочность), магнитные, оптические свойства, а также определяют их электрический, механический, тепловой отклики на воздействие электрического поля, механического напряжения, температуры[9].
Примеры[править | править код]
К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы.
Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства. К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.
Использование[править | править код]
При применении диэлектриков, одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов, довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств.
Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.
Пассивные свойства[править | править код]
Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.
Активные свойства диэлектриков[править | править код]
Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.
Примечания[править | править код]
- ↑ Леванюк А. П. Диэлектрики // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 694—698. — 704 с. — 100 000 экз.
- ↑ В. В. Никольский, Т. И. Никольская. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989.
- ↑ Ток проводимости — направленное движение электрических зарядов
- ↑ Thoms, E.; Sippel, P.; et., al. Dielectric study on mixtures of ionic liquids (англ.) // Sci. Rep. (англ.)русск. : journal. — 2017. — Vol. 7, no. 1. — P. 7463. — doi:10.1038/s41598-017-07982-3. — Bibcode: 2017NatSR…7.7463T. — arXiv:1703.05625. — PMID 28785071.
- ↑ Belkin, A.; Bezryadin, A.; Hendren, L.; Hubler, A. Recovery of Alumina Nanocapacitors after High Voltage Breakdown (англ.) // Sci. Rep. (англ.)русск. : journal. — 2017. — Vol. 7, no. 1. — P. 932. — doi:10.1038/s41598-017-01007-9. — Bibcode: 2017NatSR…7..932B. — PMID 28428625.
- ↑ Daintith, J. Biographical Encyclopedia of Scientists. — CRC Press, 1994. — С. 943. — ISBN 978-0-7503-0287-6.
- ↑ James, Frank A.J.L., editor. The Correspondence of Michael Faraday, Volume 3, 1841—1848, Letter 1798, William Whewell to Faraday, p. 442. (недоступная ссылка). Дата обращения 4 апреля 2020. Архивировано 23 декабря 2016 года. The Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom, 1996. ISBN 0-86341-250-5
- ↑ [[1] в «Книгах Google» Microwave Engineering – R. S. Rao (Prof.)] (англ.).
- ↑ Рез, 1989, с. 18.
Ссылки[править | править код]
- Диэлектрик // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
- Характеристики электроизоляционных материалов
- Производство диэлектриков
Литература[править | править код]
- Рез И. С., Поплавко Ю. М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. — М.: Радио и связь, 1989. — 288 с. — ISBN 5-256-00235-X.
- Богородицкий Н. П., Волокобинский Ю. М., Воробьев А. А., Тареев Б. М. Теория диэлектриков. — М.Л.: Энергия, 1965. — 344 с. — 10 000 экз.
- Орешкин П. Т. Физика полупроводников и диэлектриков. — М.: Высшая школа, 1977. — 448 с. — 22 000 экз.
- Горелик С. С., Дашевский В. Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. — М., Металлургия, 1988. — 574 с.
- Киселев В. Ф. Поверхностные явления в полупроводниках и диэлектриках. — М., Наука, 1970. — Тираж 7800 экз. — 399 с.
- Флоренский П. А. Диэлектрики и их техническое применение. Ч. 1 : Общие свойства диэлектриков. — М.: Р. И. О. ГЛАВЭЛЕКТРО ВСНХ. 1924.
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.
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.
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.
E→’ — напряженность поля, которое создается как результат поляризации диэлектрика.
Явление влияния вещества на магнитное и электрическое поля было эмпирическим путем открыто Фарадеем. Именно этим ученым было в науку были введены такие термины, как диэлектрик и диэлектрическая постоянная.
Теорема 1
В случае если однородный изотропный диэлектрик полностью заполняет собой объем, ограниченный эквипотенциальными поверхностями поля сторонних зарядов, то напряженность поля внутри него в ε раз меньше напряженности поля сторонних зарядов.
E→’=E→ε,
где ε определяет диэлектрическую проницаемость среды.
Напряженность поля точечного заряда, который расположен в диэлектрике с некоторой диэлектрической проницаемостью ε, может быть выражена в виде следующего выражения:
E→=14πεε0qr3r→.
Закон Кулона для зарядов, находящихся в жидком и газообразном диэлектрике принимает такой вид:
F→=14πεε0q1q2r3r→.
Пример 2
Задание: Бесконечную плоскую пластину из однородного изотропного диэлектрика разместили в однородном электростатическом поле с напряженностью E=200 Вм, направленной под прямым углом силовым линиям поля. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика равняется 2. Какова напряженность поля внутри диэлектрика?
Решение
Поле в вакууме в ε раз сильнее, чем поле в диэлектрике, по этой причине запишем, что:
E→’=E→ε.
Произведем некоторые расчеты:
E→’=2002=100 Вм.
Ответ: Напряженность поля в пластине будет 100 Вм.
Пример 3
Задание: Заряженные шарики обладают массойm1=m2=m. Они подвешены на нитях, имеющих одинаковые значения длины, в одной точке, их заряды эквивалентны q1 и q2( смотри рисунок 1). Изначально они располагаются в воздухе (диэлектрическая проницаемость ε1), после этого погружаются в жидкость ε2. Каково отношение диэлектрических проницаемостей ε2ε1, если при погружении в жидкость системы из шариков угол расхождения нитей не претерпел изменений? Отношение плотности шариков к плотности диэлектрика ρshρd=b.
Решение
Рисунки 2 и 3
Запишем условие равновесия шарика в симметричной системе в воздухе:
Fe1→+mg→+N1→=0.
Теперь выразим условие равновесия одного шарика в жидкости:
Fe2→+mg→+N2→+FA→=0.
Запишем проекции уравнения Fe1→+mg→+N1→=0 на оси:
Ох: Fe1-N1sina2=0,
Oy: mg-N1cosα2=0.
Проекции уравнения Fe2→+mg→+N2→+FA→=0 на оси:
Ох: Fe2-N2sinα2=0,
Oy: mg-N2cosα2-FA=0.
Берем отношение уравнения Fe1-N1sina2=0 и mg-N1cosa2=0, в качестве результата получаем:
tga2=Fe1mg.
Уравнение Fe2-N2sina2=0 на уравнение mg-N2cosa2-FA=0, получаем:
tga2=Fe2mg-FA→Fe1mg=Fe2mg-FA.
Основываясь на законе Кулона, запишем такое выражения для Fe1, Fe2:
Fe1=q1q24πε1ε0r2 и Fe2=q1q24πε2ε0r2.
Модуль силы Архимеда равняется следующему выражению:
FA=ρdVg=ρdmρshg.
Подставим в уравнение tga2=Fe2mg-FA→Fe1mg=Fe2mg-FA уравнения Fe1=q1q24πε1ε0r2 и
Fe2=q1q24πε2ε0r2, в результате получим:
q1q24πε1ε0r2mg=q1q24πε2ε0r2mg-ρdmρshg→1ε11=1ε21-ρdρsh→ε2ε1=11-ρdρsh=11-b.
Ответ: Диэлектрическая проницаемость жидкости должна быть ε2e1=11-b.
В электроэнергетике можно выделить три главные группы материалов: проводник, полупроводник и диэлектрик. Основное их отличие в том, что у них различная проводимость электрического тока. В этой статье поговорим о различии таких материалов и их поведении в электрическом поле.
Что такое проводник
Итак, проводник это — материал (вещество, среда), отлично проводящий электрический ток. Присутствующие в веществе так называемые свободные заряженные частицы (электроны или ионы), способны свободно перемещаться по всему объему вещества, а при приложении электрического напряжения создают ток проводимости.
Главной характеристикой проводника является его «сопротивление» (R), измеряемое в Омах или же обратная величина под названием «проводимость», находится по формуле:
G = 1/R
И измеряется данная величина в Сименс.
К проводникам относится: большая часть металлов, углерод (уголь либо графит), разнообразные растворы солей и кислот.
Проводники, у которых перенос заряда выполняется преимущественно за счет движения электронов (электронная эмиссия), называются проводниками первого рода. Если в проводниках перемещение заряда выполняется за счет ионов (электролиты), то они называются проводниками второго порядка.
Наибольшее распространение получили металлы, так как они обладают самой лучшей проводимостью, а значит, имеют меньшее сопротивление протекающему электрическому току.
Так, например, жилы всех питающих проводов (шнуров) выполнены из металлов, являющихся проводниками.
Что такое диэлектрик
Диэлектриками называют те вещества, которые обладают большим сопротивлением и не пропускают электрический ток либо проводят его в незначительных количествах.
Это обусловлено тем, что в подобных материалах крайне мало находится свободных носителей заряда по причине довольно крепкой атомарной связи. Поэтому при воздействии электрического поля ток в диэлектрике просто отсутствует.
К диэлектрикам относятся такие материалы как: стекло, фарфор, керамика, текстолит, карболит, вода дистиллированная (без солевых примесей), сухое дерево, каучук и т.п.
Диэлектрики так же крайне широко используются в быту. Изоляция проводов, корпуса электроприборов выполнены из диэлектрических материалов.
yandex.ru
Но если создать определенные условия, например, сильно повысить рабочее напряжение, то диэлектрик может стать проводником. Наверняка вы слышали такое выражение как «пробой изоляции».
Главной характеристикой любого диэлектрика считается электрическая прочность (данная величина равна напряжению пробоя).
Что такое полупроводник
Как видно даже из самого названия полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводники в изначальном состоянии не пропускают электрический ток, но стоит приложить к полупроводниковому материалу энергию, то полупроводник из диэлектрика превращается в проводник.
Подобные элементы применяются в радиоэлектронике, из них производят транзисторы, тиристоры, диоды, светодиоды и т. д.
Разграничение веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики объясняются с помощью Зонной теории твердых тел. Она, конечно, не всеми принимается просто, но познакомиться с ней крайне желательно.
Зонная теория твердых тел
Итак, различие между диэлектриками, проводниками и полупроводниками можно объяснить зонной теорией. Она звучит так:
Как известно из модели атома Бора в атоме электроны размещены на определенных орбитах
yandex.ru
В кристаллической решетке твердого тела орбиты электронов изменяются под неизбежным влиянием соседних атомов и электронов. И по этой причине происходит смещение энергетических уровней удержания электронов.
С орбит близких к ядру атома электроны могут перейти на другой уровень чисто теоретически, а вот уже с внешних орбит, которые в твердом теле размываются на подуровни, переход электронов между ними может осуществляться довольно легко.
А при приложении электрического потенциала электроны, хаотично перескакивающие по внешним орбитам соседствующих атомов, обретают единый вектор движения и мы наблюдаем электрический ток.
Поэтому нижний слой, где имеются свободно перемещающиеся электроны, называют зоной проводимости.
Валентной зоной называется область разрешенных энергий и располагается она под зоной проводимости.
Для того, чтобы электрон перешел из валентной зоны в зону проводимости, он должен пересечь так называемую запрещенную зону.
Численно она выражается в электрон–вольтах. А энергетические уровни полупроводников, проводников и диэлектриков схематично можно представить следующим образом:
Как видно из рисунка выше у проводника нет запрещенной зоны, то есть валентная зона и зона проводимости имеет область перекрытия. Это значит, что в таком материале даже при незначительном приложении энергии электроны начинают активно перемещаться в пределах тела проводника.
У полупроводника между уровнями присутствует запрещенная зона. Ее ширина показывает, какую энергию нужно приложить к полупроводнику, чтобы электроны начали свое перемещение, то есть стал протекать ток.
А у диэлектрика запрещенная область настолько широка, что переход электронов из валентной области в проводимую практически исключен. Так как потребуется значительная энергия для преодоления этого барьера, которая вызовет разрушение диэлектрика.
Заключение
Это все, что я хотел вам рассказать о диэлектриках, проводниках и полупроводниках. Если вам статья оказалась интересна и полезна, то оцените ее. И спасибо за ваше внимание!