Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!
Postoje tvari koje vrlo dobro provode struju, tj. dirigenti. Njihova suprotnost su dielektrici, odnosno izolatori. Blokiraju li izolatori protok električne struje? Postoje li situacije u kojima je moguće svladati otpor takvih izolatora i omogućiti protok električne struje? Kako se dielektrici ponašaju u vanjskom električnom polju? Sve ćete to naučiti u ovom materijalu.
Što je dielektrik?
Možemo definirati koncept dielektrika prema otpornosti (otpornosti) ovog materijala.Vlasnički otpor ρ definiramo kao električni otpor vodiča od homogenog materijala s površinom poprečnog presjeka S jednakom jednom kvadratnom metru i duljinom l jednakom jednom metru. Međutim, u ovom će članku biti prikladnije povezati otpornost materijala s jakošću električnog polja. Unutar materijala kroz koji teče električna struja gustoće j postoji polje jakosti E. Za homogen i izotropan materijal otpor možemo napisati kao omjer vrijednosti ova dva vektora:
ρ=E / j
U SI sustavu, jedinica otpora je Ohm po metru (Ohmm).
Otpornost je konstantna vrijednost koja karakterizira materijal. Što je veća vrijednost otpora, materijal lošije provodi struju. Pretpostavlja se da je otpornost dielektrika veća od 107Ohmm, dok dobri vodiči imaju vrijednost otpora reda veličine 10-8- 10-6 Ohmm.
Vodljivost je "prijenos" električnih naboja pomoću nositelja. Ovi prijenosnici uključuju elektrone. U metalima se, na primjer, valentni elektroni odvajaju od pojedinačnih atoma i pod utjecajem primijenjenog električnog polja kreću kroz metal noseći negativan naboj. Zbog toga u metalu teče električna struja. Metal je dobar provodnik.
U izolatorima, s druge strane, naboji su relativno stacionarni.
Budući da dielektrici imaju vrlo visoke vrijednosti električnog otpora (obično reda veličine giga ohma), mora se primijeniti visok električni napon reda veličine gigavolta da bi se proizvela čak i mala struja. Ovo će uništiti dielektrik.
Dakle, vidimo da je provođenje električne struje kroz dielektrik nemoguće.
Vrste dielektrika i njihova svojstva
Dielektrici imaju vrlo zanimljiva svojstva. Kada se stave u vanjsko električno polje, podvrgavaju se električnoj polarizaciji. U tom slučaju unutar dielektrika nastaje električno polje, usmjereno suprotno od vanjskog polja koje je uzrokovalo polarizaciju.
Odakle dolazi? Zašto se unutar dielektrika pojavljuje električno polje? Potražimo odgovor u molekularnoj strukturi dielektrika.
Postoje dvije vrste dielektrika: polarni i nepolarni.
Polarni dielektrici su dielektrici čije su molekule stalni dipoli. Dipol je raspored dvaju različitih električnih naboja iste veličine q na međusobnoj udaljenosti l.
Veličina koja karakterizira dipole je dipolni moment ρ. Dipolni moment se definira kao umnožak veličine naboja q i vektora l koji ima vrijednost jednaku udaljenosti između naboja, smjeru ravne linije koja povezuje naboje i povratku od negativnog naboja do pozitivnog jedan:
ρ=ql
Riža. 1. Shematski crtež električnog dipola
Jedinica za dipolni moment je umnožak kulona i metra (Cm).
U polarnim dielektricima, molekule imaju vlastiti dipolni moment.
Primjeri polarnih dielektrika su klorovodična kiselina (HCl) s dipolnim momentom=3,7010-30Cm i voda (H2O) s dipolnim momentom=6,1510-30Cm.
Riža. 2. Molekula vode kao dipol
Ako se takav dipol stavi u vanjsko električno polje jakosti E, tada će na njega djelovati moment sile M:
M=ρE
Dakle, moment sile će uzrokovati rotaciju dipola tako da je njegova os usmjerena duž linije polja, kao što je prikazano na slici 3.
Riža. 3. Dipol postavljen u električno polje
Ovaj trenutak će nestati kada vektori ρ i E postanu paralelni.
Nepolarni dielektrici nemaju svoj dipolni moment (njihov dipolni moment je nula).Međutim, možemo dobiti zamah stavljanjem takvog atoma ili molekule u vanjsko električno polje. U ovom slučaju, pozitivni naboji (jezgre) i negativni naboji (elektroni) su odvojeni.
Primjeri nepolarnih dielektrika su vodik (H2) i metan (CH4). Bez polja imaju dipolni moment nula.
Postoji i grupa dielektrika s posebnim svojstvima. Takvi dielektrici uključuju piezoelektrike, piroelektrike i feroelektrike.
Piezoelektrici su kristali u kojima se električni naboj inducira pod mehaničkim naprezanjem. To jest, pod pritiskom (ili rastezanjem), možemo generirati električno polje.
Primjer piezoelektrika je kvarc. Piezoelektrici se koriste kao elektroakustički pretvarači u zvučnicima, na primjer, i kao iskrišta u upaljačima za cigarete.
Piroelektrici su tvari (obično kristali) u kojima dolazi do polarizacije kada se mijenja temperatura, kao što je zagrijavanje.
Primjer piroelektrika je triglicin sulfat. Piroelektrici su poseban slučaj piezoelektrika. Piroelektrici se mogu koristiti u termovizijskim matricama.
Treća vrsta dielektrika koju vrijedi znati su feroelektrici. Feroelektrici dobivaju dipolni moment kada se stave u vanjsko električno polje, ali, za razliku od drugih dielektrika, taj moment ne nestaje kada vrijednost vanjskog polja dosegne nulu. Dipolni moment feroelektrika mijenja se kao što je prikazano na donjem dijagramu - ta se ovisnost naziva histereza (od grčkog histereza - kašnjenje).
Riža. 4. Promjena petlje histereze u dipolnom momentu feroelektrika ovisno o jakosti vanjskog električnog polja
Na sl. 4 vidimo petlju histereze, ovisnost dipolnog momenta p o jakosti polja E. U početku su jakost polja i dipolni moment 0. Kako jakost polja raste, vrijednost dipolnog momenta također raste.
Tada opada vrijednost električnog polja - opada i vrijednost dipolnog momenta, ali to opadanje je "odgođeno" , kao što je prikazano na krivulji 2.
Kada je vrijednost E ponovno 0, vrijednost dipolnog momenta je pr(remanentna polarizacija). Dipolni moment doseže nulu samo za E=Ec usmjeren suprotno od početnog polja. Nakon dostizanja minimuma, vrijednosti E i p ponovno rastu, ovaj put kao dio histereze, označene sa - 3.
Feroelektrici su poseban slučaj piroelektrika.
Što se tiče agregatnog stanja, razlikuju se dielektrici:
- čvrsta - može biti ili organska (kao što je parafin, papir, drvo ili guma) ili anorganska (kao što je porculan, azbest ili staklo)
- tekućina (npr. mineralna, sintetička ili silikonska ulja),
- plinoviti, koji se često koriste u električnim izolacijskim sustavima (na primjer, plemeniti plinovi - argon, helij, neon; amonijak, zrak, ugljični dioksid).