Тверді діелектрики. Передмова

Діелектрична проникність може мати дисперсію.

Ряд діелектриків виявляють цікаві фізичні властивості.

Посилання

• Віртуальний фонд природничих та науково-технічних ефектів «Ефективна фізика»

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Діелектрики" в інших словниках:

ДІЕЛЕКТРИКИ, речовини, що погано проводять електричний струм (питомий опір порядку 1010 Ом?м). Існують тверді, рідкі та газоподібні діелектрики. Зовнішнє електричне поле викликає поляризацію діелектрика. У деяких твердих… Сучасна енциклопедія

Діелектрики- ДІЕЛЕКТРИКИ, речовини, що погано проводять електричний струм (питомий опір порядку 1010 Омм). Існують тверді, рідкі та газоподібні діелектрики. Зовнішнє електричне поле викликає поляризацію діелектрика. У деяких твердих… Ілюстрований енциклопедичний словник

Речовини, що погано проводять електричний струм (питомий електроопір 108 1012 Ом см). Існують тверді, рідкі та газоподібні діелектрики. Зовнішнє електричне поле викликає поляризацію діелектриків. У деяких твердих діелектриках. Великий Енциклопедичний словник

- (англ. dielectric, від грец. dia через, крізь і англ. electric електричний), речовини, що погано проводять електрич. струм. Термін "Д." введений Фарадеєм для позначення в, які проникає електрич. поле. Д. явл. всі гази (неіонізовані), деякі … Фізична енциклопедія

ДІЕЛЕКТРИКИ- ДІЕЛЕКТРИКИ, непровідники, або ізолятори тіла, що погано ведуть або зовсім не ведуть електрики. Напр. скло, слюда, сірка, парафін, ебоніт, порцеляна і т. п. Протягом тривалого часу при вивченні електрики. Велика медична енциклопедія

- (Ізолятори) речовини, що не проводять електричного струму. Приклади діелектриків: слюда, бурштин, каучук, сірка, скло, фарфор, різні сорти олій та ін. Самойлов К. І. Морський словник. М. Л.: Державне Військово-морське Видавництво НКВМФ Союзу … Морський словник

Назва, дана Михайлом Фарадеєм тілам не проводили, інакше, що погано проводять електрику, як, напр., повітря, скло, різні смоли, сірка і т. д. Подібні тіла називаються також ізоляторами. До досліджень Фарадея, виготовлених у 30 х… Енциклопедія Брокгауза та Єфрона

ДІЕЛЕКТРИКИ- Речовини, що практично не проводять електричний струм; бувають твердими, рідкими та газоподібними. У зовнішньому електричному полі Д. поляризуються. Їх використовують для ізоляції електротехнічних пристроїв, в електричних конденсаторах, у квантовій. Велика політехнічна енциклопедія

Речовини, що погано проводять електричний струм. Термін "Д." введений М. Фарадеєм для позначення речовин, через які проникають електричні поля. У будь-якій речовині, … Велика Радянська Енциклопедія

Речовини, що погано проводять електричний струм (електропровідність діелектрики10 8 10 17 Ом 1 см 1). Існують тверді, рідкі та газоподібні діелектрики. Зовнішнє електричне поле викликає поляризацію діелектриків. У деяких твердих… Енциклопедичний словник

Книги

• Діелектрики та хвилі , А. Р. Хіппель. Автор пропонованої уваги читачів монографії, відомий дослідник у галузі діелектриків американський вчений А. Хіппель неодноразово виступав у періодичній пресі та в...
• Дія лазерного випромінювання полімерні матеріали. Наукові основи та прикладні завдання. У 2 книгах. Книжка 1. Полімерні матеріали. Наукові основи лазерного впливу на полімерні діелектрики, Б. А. Виноградов, К. Є. Перепелкін, Г. П. Мещерякова. Пропонована книга містить відомості про структуру та основні термічні та оптичні властивості полімерних матеріалів, механізм впливу на них лазерного випромінювання в інфрачервоному, видимому…

ДІЕЛЕКТРИКИ, речовини, що погано проводять електричний струм. Термін «діелектрик» введений М. Фарадеєм для позначення речовин, які проникає електростатичне поле. При поміщенні в електричне поле будь-якої речовини електрони та атомні ядра випробовують сили цього поля. В результаті частина зарядів спрямовано переміщається, утворюючи електричний струм. Інші ж заряди перерозподіляються отже «центри тяжкості» позитивних і негативних зарядів зміщуються щодо одне одного. В останньому випадку говорять про поляризацію речовини. Залежно від того, який із цих двох процесів (поляризація або електрична провідність) переважає, речовини ділять на діелектрики (усі неіонізовані гази, деякі рідини та тверді тіла) та провідники (метали, електроліти, плазма).

Електрична провідність діелектриків, порівняно з металами, дуже мала. Питомий електричний опір діелектриків 10 8 -10 17 Ом см, металів - 10 -6 -10 -4 Ом см.

Кількісна відмінність в електричної провідності діелектриків і металів класична фізика намагалася пояснити тим, що в металах є вільні електрони, тоді як у діелектриках всі електрони пов'язані (належать до окремих атомів) і електричне поле не відриває, а лише злегка зміщує їх.

Квантова теорія твердого тіла пояснює відмінність електричних властивостей металів та діелектриків різним розподілом електронів за енергетичними рівнями. У діелектриках верхній заповнений електронами енергетичний рівень збігається з верхньою межею однієї з дозволених зон (у металах він лежить усередині дозволеної зони), а найближчі вільні рівні відокремлені від заповнених забороненою зоною, подолати яку під дією не надто сильних електричних полів електрони не можуть (див. теорія). Дія електричного поля зводиться до перерозподілу електронної густини, що призводить до поляризації діелектрика.

Поляризація діелектриків.Механізми поляризації діелектриків залежить від характеру хімічної зв'язку, т. е. розподілу електронної щільності в діелектриках. В іонних кристалах (наприклад, NaCl) поляризація є результатом зсуву іонів щодо один одного (іонна поляризація), а також деформації електронних оболонок окремих іонів (електронна поляризація), тобто сумою іонної та електронної поляризацій. У кристалах з ковалентним зв'язком (наприклад, алмаз), де електронна щільність рівномірно розподілена між атомами, поляризація зумовлена ​​головним чином зміщенням електронів, що здійснюють хімічний зв'язок. У про полярних діелектриках (наприклад, твердий Н 2 S) групи атомів є електричні диполі, які орієнтовані хаотично без електричного поля, а полі набувають переважну орієнтацію. Така орієнтаційна поляризація типова для багатьох рідин та газів. Схожий механізм поляризації пов'язані з «перескоком» під впливом електричного поля окремих іонів з одних положень рівноваги у ґратах у інші. Особливо часто такий механізм спостерігається в речовинах із водневим зв'язком (наприклад, лід), де атоми водню мають кілька положень рівноваги.

Поляризація діелектриків характеризується вектором поляризації Р, який є електричним дипольним моментом одиниці об'єму діелектрика:

де p i – дипольні моменти частинок (атомів, іонів, молекул), N – число частинок в одиниці об'єму. Вектор Р залежить від напруженості електричного поля Е. У слабких полях Ρ = ε 0 ϰΕ. Коефіцієнт пропорційності називається діелектричною сприйнятливістю. Часто замість вектора Р використовують вектор електричної індукції.

де ε – діелектрична проникність, ε 0 – електрична постійна. Величини ϰ та ε - основні характеристики діелектрика. В анізотропних діелектриках (наприклад, у некубічних кристалах) напрям Р визначається як напрямом поля Е, а й напрямом осей симетрії кристала. Тому вектор Р складатиме різні кути з вектором Е в залежності від орієнтації Е по відношенню до осей симетрії кристала. В цьому випадку вектор D визначатиметься через вектор Е за допомогою не однієї величини ε, а декількох (загалом шести), що утворюють тензор діелектричної проникності.

Діелектрики у змінному полі.Якщо поле Е змінюється в часі t, то поляризація діелектрика не встигає слідувати за ним, оскільки зміщення зарядів не може відбуватися миттєво. Оскільки будь-яке змінне поле можна представити у вигляді сукупності полів, що змінюються за гармонійним законом, досить вивчити поведінку діелектрика в полі Е = Е 0 sinωt, де ω - частота змінного поля, Е 0 - амплітуда напруженості поля. Під дією цього поля D і Р коливатимуться також гармонійно і з тією самою частотою. Однак між коливаннями Р і Е з'являється різниця фаз δ, що викликано відставанням поляризації Р від поля Е. Гармонічний закон можна подати в комплексному вигляді Е = Е 0 e iωt тоді D = D 0 e iωt , причому D 0 = ε(ω) Ε 0 . Діелектрична проникність у разі є комплексної величиною: ε(ω) = ε' + iε'', ε' і ε'' залежить від частоти змінного електричного поля ω. Абсолютна величина

визначає амплітуду коливання D, а відношення ε'/ε" = tgδ - різницю фаз між коливаннями D і Е. Величина δ називається кутом діелектричних втрат. У постійному електричному полі ω = 0, ε" = 0, ε' = ε.

У змінних електричних полях високих частот властивості діелектрика характеризуються показниками заломлення n і поглинання k (замість ε' і ε"). Перший дорівнює відношенню швидкостей поширення електромагнітних хвиль у діелектриці та у вакуумі. Показник поглинання k характеризує згасання електромагнітних хвиль у діелектриці. k, ε' і ε" пов'язані співвідношенням (2)

Поляризація діелектриків без електричного поля.У ряді твердих діелектриків (піроелектриках, сегнетоелектриках, п'єзоелектриках, електретах) поляризація може існувати і без електричного поля, тобто може бути викликана іншими причинами. Так, у піроелектриках заряди розташовуються настільки несиметрично, що центри тяжкості зарядів протилежного знака не збігаються, тобто діелектрик спонтанно поляризований. Однак поляризація в піроелектриках проявляється тільки при зміні температури, коли електричні заряди, що компенсують поляризацію, не встигають перебудуватися. Різновидом піроелектриків є сегнетоелектрики, спонтанна поляризація яких може суттєво змінюватись під впливом зовнішніх впливів (температури, електричного поля). У п'єзоелектриках поляризація виникає при деформації кристала, що пов'язано з особливостями їхньої кристалічної структури. Поляризація без поля може спостерігатися також у деяких речовинах типу смол і стекол, званих електретами.

Електрична провідність діелектриків мала, але завжди відмінна від нуля. Рухомими носіями заряду в діелектриках можуть бути електрони та іони. У звичайних умовах електронна провідність діелектриків мала порівняно з іонною. Іонна провідність може бути обумовлена ​​переміщенням як власних іонів, і домішкових. Можливість переміщення іонів кристалом пов'язана з наявністю дефектів в кристалах. Якщо, наприклад, в кристалі є вакансія, то під дією поля сусідній іон може зайняти її, у вакансію, що знову утворилася, може перейти наступний іон і т. д. У результаті відбувається рух вакансій, яке призводить до перенесення заряду через весь кристал. Переміщення іонів відбувається і в результаті їх перескоків по міжвузлям. Зі зростанням температури іонна провідність зростає. Помітний внесок у електричну провідність діелектрика може вносити поверхнева провідність (див. Поверхневі явища).

Пробій діелектриків.Щільність електричного струму j через діелектрик пропорційна напруженості електричного поля Е (закон Ома): j = ςЕ, де - електрична провідність діелектрика. Однак у досить сильних полях струм наростає швидше, ніж за законом Ома. При деякому критичному значенні Е пр настає електричний пробій діелектрика. Величина Е пр називається електричною міцністю діелектрика. При пробої майже весь струм тече вузьким каналом (дивись Шнурування струму). У цьому каналі j досягає великих величин, що може призвести до руйнування діелектрика: утворюється наскрізний отвір або проплавляється діелектрик по каналу. У каналі можуть відбуватися хімічні реакції; наприклад, в органічних діелектриках осідає вуглець, в іонних кристалах - метал (металізація каналу) і т. п. Пробою сприяють завжди присутні в неоднорідності діелектриці, оскільки в місцях неоднорідностей поле Е може локально зростати.

У твердих діелектриках розрізняють тепловий та електричний пробої. При тепловому пробої зі зростанням j зростає кількість теплоти, що виділяється в діелектриці, і, отже, температура діелектрика, що призводить до збільшення кількості носіїв заряду n і зменшення питомого електричного опору ρ. При електричному пробої зі зростанням поля зростає генерація носіїв заряду під дією поля і теж зменшується.

Електрична міцність рідких діелектриків сильно залежить від чистоти рідини. Наявність домішок і забруднень істотно знижує Е пр. Для чистих однорідних рідких діелектриків Е пр близька до Е пр твердих діелектриків. Пробій у газі пов'язаний з ударною іонізацією і проявляється у вигляді електричного розряду.

Нелінійні властивості діелектриків.Лінійна залежність Р = ε 0 ϰЕ справедлива лише для полів Е, значно менших внутрішньокристалічних полів Е кр (Е кр близько 10 8 В/см). Т.к. Е пр<< Е кр, то в большинстве диэлектриков не удаётся наблюдать нелинейную зависимость Р(Е) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, в которых в сегнетоэлектрической области и вблизи точек фазовых переходов наблюдается сильная нелинейная зависимость Р(Е). При высоких частотах электрическая прочность диэлектрика 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 диэлектрика, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и другие нелинейные эффекты (смотри Нелинейная оптика).

Застосування діелектриків.Діелектрики використовуються переважно як електроізоляційні матеріали. П'єзоелектрики застосовуються для перетворення механічних сигналів (переміщень, деформацій, звукових коливань) в електричні та навпаки (дивись П'єзоелектричний перетворювач); піроелектрики – як теплові детектори різних випромінювань, особливо ІЧ-випромінювання; Сегнетоелектрики, будучи також п'єзоелектриками і піроелектриками, застосовуються, крім того, як конденсаторні матеріали (через високу діелектричну проникність), а також як нелінійні елементи та елементи пам'яті в різноманітних пристроях. Більшість оптичних матеріалів є діелектриками.

Літ.: Фреліх Г. Теорія діелектриків. М., 1960; Хіппель А. Р. Діелектрики та хвилі. М., 1960; Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М. Фейнманівські лекції з фізики. М., 1966. Вип. 5: Електрика та магнетизм; Калашніков С. Г. Електрика. 5-те вид. М., 1985.

О. П. Леванюк, Д. Г. Санніков.

Всі рідкі та тверді речовини за характером дії на них електростатичного поля діляться на провідники, напівпровідники та діелектрики.

Діелектрики (ізолятори)- Речовини, які погано проводять або зовсім не проводять електричний струм. До діелектриків відносять повітря, деякі гази, скло, пластмаси, різні смоли, багато видів гуми.

Якщо помістити в електричне поле нейтральні тіла з таких матеріалів, як скло, ебоніт, можна спостерігати їхнє тяжіння як до позитивно заряджених, так і до негативно заряджених тіл, але значно слабше. Однак при поділі таких тіл в електричному полі їх частини виявляються нейтральними, як і тіло в цілому.

Отже, у таких тілах немає вільних електрично заряджених частинок,здатних переміщатися у тілі під впливом зовнішнього електричного поля. Речовини, що не містять вільних електрично заряджених частинок, називають діелектриками чи ізоляторами.

Притягнення незаряджених тіл з діелектриків до заряджених тіл пояснюється їхньою здатністю до поляризації.

Поляризація– явище усунення пов'язаних електричних зарядів усередині атомів, молекул чи всередині кристалів під впливом зовнішнього електричного поля. Найпростіший приклад поляризації- Дія зовнішнього електричного поля на нейтральний атом. У зовнішньому електричному полі сила, що діє негативно заряджену оболонку, спрямована протилежно силі, яка діє позитивне ядро. Під дією цих сил електронна оболонка дещо зміщується щодо ядра та деформується. Атом залишається в цілому нейтральним, але центри позитивного та негативного заряду в ньому вже не збігаються. Такий атом можна як систему з двох рівних по модулю точкових зарядів протилежного знака, яку називають диполем.

Якщо помістити пластину з діелектрика між двома металевими пластинами з зарядами протилежного знака, всі диполі в діелектриці під дією зовнішнього електричного поля виявляються позитивними зарядами до негативної пластини і негативними зарядами до позитивно зарядженої пластини. Пластина діелектрика залишається в цілому нейтральною,та її поверхні вкриті протилежними за знаком пов'язаними зарядами.

У електричному полі поляризаційні заряди лежить на поверхні діелектрика створюють електричне полі, протилежно спрямоване зовнішньому електричному полю. Внаслідок цього напруженість електричного поля в діелектриці зменшується, але не стає рівною нулю.

Відношення модуля напруженості E 0 електричного поля у вакуумі до модуля напруженості Е електричного поля в однорідному діелектрику називається діелектричною проникністю речовини:

? = Е 0 / Е

При взаємодії двох точкових електричних зарядів у середовищі з діелектричною проникністю в результаті зменшення напруженості поля в раз кулонівська сила також зменшується в раз:

F е = k (q 1 · q 2 / ɛr 2)

Діелектрики здатні послаблювати зовнішнє електричне поле. Це їхня властивість застосовується в конденсаторах.

Конденсатори– це електричні прилади накопичення електричних зарядів. Найпростіший конденсатор складається з двох паралельних металевих пластин, розділеним шаром діелектрика. При повідомленні пластин рівних за модулем і протилежних за знаком зарядів +q та –qміж пластинами створюється електричне поле із напруженістю Е. Поза пластинами дія електричних полів, спрямована протилежно заряджених пластин, взаємно компенсується, напруженість поля дорівнює нулю. Напруга Uміж пластинами прямо пропорційно заряду на одній пластині, тому відношення заряду qдо напруги U

C = q/U

є для конденсатора величиною постійною за будь-яких значень заряду q.Це ставлення Зназивається електроємністю конденсатора.

Залишились питання? Чи не знаєте, що таке діелектрики?
Щоб отримати допомогу репетитора – .
Перший урок – безкоштовно!

blog.сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.

Діелектрик – це матеріал чи речовина, яка практично не пропускає електричний струм. Така провідність виходить внаслідок невеликої кількості електронів та іонів. Дані частинки утворюються в матеріалі, що не проводить електричний струм, тільки при досягненні високих температурних властивостей. Про те, що таке діелектрик і йтиметься у цій статті.

Опис

Кожен електронний або радіотехнічний провідник, напівпровідник або заряджений діелектрик пропускає через себе електричний струм, але особливість діелектрика в тому, що в ньому навіть при високій напрузі понад 550 буде протікати струм малої величини. Електричний струм у діелектриці - це рух заряджених частинок у певному напрямку (може бути позитивним та негативним).

Види струмів

В основі електропровідності діелектриків лежать:

• Абсорбційні струми - струм, який протікає в діелектриці при постійному струмі до тих пір, поки не досягне стану рівноваги, змінюючи напрямок при включенні і подачі на нього напруги і при відключенні. При змінному струмі напруженість у діелектриці буде присутня в ньому весь час, поки перебуває в дії електричного поля.
• Електронна електропровідність – переміщення електронів під дією поля.
• Іонна електропровідність - це рух іонів. Знаходиться в розчинах електролітів - солі, кислоти, луг, а також у багатьох діелектриках.
• Моліонна електропровідність - рух заряджених частинок, які називають моліонами. Знаходиться в колоїдних системах, емульсіях та суспензіях. Явище руху моліонів в електричному полі називається електрофорез.

Класифікують за агрегатним станом та хімічною природою. Перші діляться на тверді, рідинні, газоподібні та твердіють. За хімічною природою поділяються на органіку, неорганіку та елементоорганічні матеріали.

За агрегатним станом:

• Електропровідність газів.У газоподібних речовин досить мала провідність струму. Він може виникати за наявності вільних заряджених частинок, що з'являється через вплив зовнішніх та внутрішніх, електронних та іонних факторів: випромінювання рентгену та радіоактивного виду, зіткнення молекул та заряджених частинок, теплові фактори.
• Електропровідність рідкого діелектрика.Чинники залежності: структура молекули, температура, домішки, наявність великих зарядів електронів та іонів. Електропровідність рідких діелектриків багато в чому залежить від наявності вологи та домішок. Провідність електрики полярних речовин створюється за допомогою рідини з дисоційованими іонами. При порівнянні полярних та неполярних рідин, явну перевагу у провідності мають перші. Якщо очистити рідину від домішок, це посприяє зменшенню її властивостей. При зростанні провідності та її температури виникає зменшення її в'язкості, що призводить до збільшення рухливості іонів.
• Тверді діелектрики.Їхня електропровідність обумовлюється як переміщення заряджених частинок діелектрика та домішок. У потужних полях електричного струму виявляється електропровідність.

Фізичні властивості діелектриків

При питомому опорі матеріалу, що дорівнює менше 10-5 Ом*м, їх можна віднести до провідників. Якщо більше 108 Ом*м – до діелектриків. Можливі випадки, коли питомий опір буде в рази більшим за опір провідника. В інтервалі 10-5-108 Ом*м знаходиться напівпровідник. Металевий матеріал – відмінний провідник електричного струму.

З усієї таблиці Менделєєва лише 25 елементів ставляться до неметалів, причому 12 їх, можливо, будуть із властивостями напівпровідника. Але, зрозуміло, крім речовин таблиці, існує ще безліч сплавів, композицій чи хімічних сполук із властивістю провідника, напівпровідника чи діелектрика. Виходячи з цього, важко провести певну межу значень різних речовин із їх опорами. Наприклад, при зниженому температурному факторі напівпровідник поводитиметься подібно до діелектрика.

Застосування

Використання матеріалів, що не проводять електричний струм, дуже широке, адже це один з популярно використовуваних класів електротехнічних компонентів. Стало зрозуміло, що їх можна застосовувати завдяки властивостям в активному та пасивному вигляді.

У пасивному вигляді властивості діелектриків використовують для застосування в електроізоляційному матеріалі.

В активному вигляді вони використовуються в сегнетоелектриці, а також у матеріалах для випромінювачів лазерної техніки.

Основні діелектрики

До видів, що часто зустрічаються, відносяться:

• Скло.
• Гума.
• Нафта.
• Асфальт.
• Порцеляна.
• Кварц.
• Повітря.
• Діамант.
• Чиста вода.
• Пластмаса.

Що таке діелектрик рідкий?

Поляризація цього виду відбувається у полі електричного струму. Рідинні струмопровідні речовини використовуються в техніці для заливки або просочування матеріалів. Є 3 класи рідких діелектриків:

Нафтові олії - є слабов'язкими і переважно неполярними. Їх часто використовують у високовольтних апаратурах: високовольтні води. - це неполярний діелектрик. Кабельне масло знайшло застосування у просоченні ізоляційно-паперових проводів з напругою на них до 40 кВ, а також покриттів на основі металу зі струмом більше 120 кВ. Олія трансформаторна в порівнянні з конденсаторною має більш чисту структуру. Цей виддіелектрика набув широкого поширення у виробництві, незважаючи на велику собівартість у порівнянні з аналоговими речовинами та матеріалами.

Що таке синтетичний діелектрик? В даний час практично скрізь він заборонений через високу токсичність, тому що виробляється на основі хлорованого вуглецю. А рідкий діелектрик, в основі якого органічний кремній, є безпечним і екологічно чистим. Цей вид не викликає металевої іржі і має властивості малої гігроскопічності. Існує розріджений діелектрик, що містить фторорганічну сполуку, яка особливо популярна через свою негорючість, термічні властивості та окислювальну стабільність.

І останній вигляд, це рослинні олії. Вони є слабо полярними діелектриками, до них відносяться лляне, рицинова, тунгове, конопляне. Касторове масло є сильно нагрівається і застосовується в паперових конденсаторах. Інші масла - випаровуються. Випарювання у них обумовлюється не природним випаром, а хімічною реакцією під назвою полімеризація. Активно застосовується в емалях та фарбах.

Висновок

У статті докладно було розглянуто, що таке діелектрик. Були згадані різні види та його властивості. Звичайно, щоб зрозуміти всю тонкість їх характеристик, доведеться більш поглиблено вивчити розділ фізики про них.