Діелектрик - Підручник з фізики

Обговорення

основна ідея

є ізоляторами, простими і простими. Ці два слова стосуються одного і того ж класу матеріалів, але мають різне походження і переважно використовуються в різному контексті.

Оскільки заряди, як правило, не легко пересуваються в неметалічних твердих речовинах, то в склі, кераміці та пластмасах можна мати "острівці" заряду. Латинське слово острів - інсула, від чого походить слово ізолятор. На відміну від них, заряди в твердих металевих твердих частинах, як правило, легко рухаються - так, ніби хтось чи щось їх веде. Латинська префікс кон або ком означає "з". Людина, з якою у вас хліб, - супутник. (Латинське слово хліб - паніс.) Взяти щось із собою в дорогу - це передати. (Латинське слово дорога - через.) Той, з ким ви подорожуєте, хто веде дорогу або забезпечує безпечний проїзд, є провідником. (Латинське слово лідер - дуктор.) Матеріалом, що забезпечує безпечний прохід електричних зарядів, є провідник.
Вставлення шару неметалічного твердого речовини між пластинами конденсатора збільшує його ємність. Грецький префікс ді або діа означає "поперек". Лінія, що перетинає кути прямокутника, є діагоналлю. (Грецьке слово кут - gonia - γωνία.) Вимірювання по колу - це діаметр. (Грецьким словом міра є метрон - μέτρον.) Матеріал, розміщений на пластинах конденсатора, як маленький непровідний міст, є діелектриком.

Пластикове покриття на електричному шнурі є ізолятором. Скляні або керамічні пластини, що використовуються для підтримки ліній електропередач і утримують їх від короткого замикання на землю, є ізоляторами. Практично в будь-який час неметалічне тверде тіло використовується в електричному приладі, який називається ізолятором. Мабуть, єдиний раз, коли слово діелектрик використовується, стосується непровідного шару конденсатора.

Діелектрики в конденсаторах служать трьом цілям:

щоб утримувати провідні пластини від контакту, забезпечуючи менший відрив пластин і, отже, більшу ємність;
збільшити ефективну ємність за рахунок зменшення напруженості електричного поля, що означає, що ви отримуєте однаковий заряд при меншій напрузі; і
зменшити можливість короткого замикання через іскроутворення (більш формально відоме як діелектричний пробій) під час роботи при високій напрузі.

що тут відбувається

Коли метал поміщений в електричне поле, вільні електрони течуть проти поля, поки не закінчаться провідний матеріал. В найкоротші терміни ми матимемо надлишок електронів з одного боку і дефіцит з іншого. Одна сторона провідника стала негативно зарядженою, а інша - позитивно зарядженою. Випустіть поле, і електрони на негативно зарядженій стороні тепер опиняються занадто близько для комфорту. Як заряди відштовхуються, і електрони втікають один від одного якомога швидше, поки не розподіляться рівномірно по всьому; один електрон для кожного протона в середньому в просторі, що оточує кожен атом. Провідний електрон у металі схожий на гоночного собаку, обгородженого пасовищем. Вони можуть вільно кочувати скільки завгодно, і можуть виконувати всю довжину, ширину та глибину металу на примху.

Для електрона в ізоляторі життя є набагато обмежнішим. За визначенням, заряди в ізоляторі не є вільними для переміщення. Це не те саме, що сказати, що вони не можуть рухатися. Електрон в ізоляторі схожий на собаку-охоронця, прив’язану до дерева - вільно пересуватися, але в межах. Розміщення електронів ізолятора в присутності електричного поля - все одно, що розміщення зв’язаної собаки в присутності поштарки. Електрони будуть напружуватися проти поля, наскільки це можливо, приблизно так само, як наша гіпотетична собака буде напружуватись на своєму повідку, наскільки це можливо. Однак електрони в атомному масштабі більше схожі на хмару, ніж собачі. Електрон ефективно розподіляється по всьому об'єму атома і не концентрується в жодному місці. Хорошого атомного собаку, на мою думку, не називали б Спот.

Коли атоми або молекули діелектрика розміщені у зовнішньому електричному полі, ядра штовхаються разом із полем, що призводить до збільшення позитивного заряду на одній стороні, тоді як електронні хмари натягуються до нього, що призводить до збільшення негативного заряду на іншій стороні . Цей процес відомий як діелектричний матеріал у такому стані. Існує два основних методи, за допомогою яких діелектрик може поляризуватися: розтягування та обертання.

атом або молекула призводить до додавання до кожного атома або молекули.

зустрічається лише у полярних молекулах - таких, що мають подібну молекулу води, показану на діаграмі нижче.

Полярні молекули зазвичай поляризуються сильніше, ніж неполярні молекули. Вода (полярна молекула) має діелектричну міцність у 80 разів більшу за азоту (неполярна молекула, яка є основним компонентом повітря). Це відбувається з двох причин - одна з яких, як правило, тривіальна. По-перше, всі молекули розтягуються в електричному полі незалежно від того, обертаються вони чи ні. Неполярні молекули та атоми розтягуються, тоді як полярні молекули розтягуються та обертаються. Однак ця комбінація дій лише незначно впливає на загальну ступінь поляризації речовини. Важливіше те, що полярні молекули вже сильно розтягуються - природно. Те, як атоми водню розташовуються на плечах електронних хмар атома кисню, спотворює молекулу в диполь. Все це відбувається в міжатомному або молекулярному масштабі. При таких крихітних поділах сила електричного поля є відносно величезною, оскільки в іншому випадку це була б непримітна напруга (наприклад, 13,6 В для електрона в атомі Гідрогену).

Розтягування та обертання - це не кінець історії, коли справа стосується поляризації. Це лише методи, найпростіші для опису випадковому спостерігачеві. Загалом, поляризація діелектричного матеріалу є мікроскопічним електростатичним деформацією у відповідь на макроскопічне електростатичне напруження. Зовнішнє поле, прикладене до діелектрика, не може змусити заряди рухатися макроскопічно, але може розтягуватися і спотворювати їх мікроскопічно. Це може штовхнути їх у незручні позиції, а при звільненні дозволити їм знову впасти у розслаблений стан. Річ, яка відрізняє поляризацію в ізоляторі від розтягування пружного тіла, як пружина, полягає в тому, що усунення напруги не обов'язково знімає деформацію. Деякі ізолятори залишатимуться у своєму поляризованому стані годинами, днями, роками чи навіть століттями. Найдовший характерний час потрібно екстраполювати з неповних спостережень більш розумної тривалості. Ніхто не збирається сидіти і чекати дві тисячі років, щоб побачити, як поляризація шматка пластику зменшується до нуля. Чекати не варто.