Чем проводник отличается от диэлектрика: Чем отличаются диэлектрики от проводников

Вещество в электрическом поле — что это, определение и ответ

В зависимости от сопротивления материалы делят на проводники и изоляторы (диэлектрики). У проводников сопротивление материала низкое и они хорошо проводят ток, у изоляторов удельное сопротивление материала высокое и они в обычном состоянии ток пропускают плохо или не пропускают вовсе.

Свойства проводников и диэлектриков отличаются из-за их различного внутреннего строения.

Внутреннее строение металлов представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы атомов, а между ними свободно перемещаются электроны.

Благодаря этому при воздействии внешнего электростатического поля, электроны сразу начинают своё движение.

Внутреннее строение диэлектрика очень похоже на строение металла – кристаллическая решетка с положительно заряженными ионами в узлах. Но все электроны в диэлектрике привязаны к своим ионам, в следствие чего – не могут свободно перемещаться.

К диэлектрикам относятся материалы, у которых нет свободных электронов – стекло, резина, смола и так далее. Поэтому под воздействием внешнего электрического поля заряд в диэлектрике не перемещается и во всех частях диэлектрика остается равным нулю.

Поведение проводника в электрическом поле

Когда на проводник действует внешнее электрическое поле, свободные заряды перераспределяются так, чтобы создать собственное электростатическое поле, которое полностью компенсирует внешнее поле внутри проводника. Заряды располагаются по поверхности проводника, при этом линии электростатического поля, которые они создают, всегда перпендикулярны поверхности проводника. Таким образом, по принципу суперпозиции, внутри проводника и на его поверхности напряженность электрического поля всегда равна нулю.

Потенциал всех точек проводника, находящегося в электрическом поле, всегда одинаков.

Если бы потенциал точек был отличен друг от друга, созданная разность потенциалов заставила бы электроны внутри проводника перемещаться в новое место до тех пор, пока эта разность потенциалов не стала бы равна нулю.

Тело сложной формы из проводящего материала, находящееся в электростатическом поле:

Потенциалвточках1,2и3одинаков \(\varphi_{1} = \varphi_{2} = \varphi_{3}\). Аналогично, если тело находится не во внешнем поле, а ему сообщен некий заряд и сам проводник является источником электростатического поля ― все точки его поверхности эквипотенциальны.

Потенциал и напряженность электрического поля сферического металлического проводника изображен ниже.

Потенциал шара внутри шара и на поверхности шара постоянен и равен φ, вне шара ― потенциал совпадает с потенциалом точечного заряда и убывает с расстоянием от шара.

Напряженность электрического поля Е, созданного шаром, равна нулю внутри шара и на поверхности шара, а вне шара ― такая же, как напряженность поля, создаваемого точечным зарядом и убывает с расстоянием от шара.

Поведение диэлектрика в электрическом поле

При изучении диэлектрика можно столкнуться с явлением поляризации — упорядоченного переориентирования молекул диэлектрика под действием внешнего электрического поля. Получается, что в одном направлении по отношению к силовым линиям поля преобладают положительно заряженные частицы, а в противоположном – отрицательно заряженные. Это вызвано с тем, что атом диэлектрика (электрический диполь) в электрическом поле делится на две части – с повышенной и пониженной концентрацией электронов. Эти заряды, аналогично металлу, создают внутри диэлектрика собственное электрическое поле таким образом, чтобы ослабить внешнее электрическое поле.

Атом диэлектрика вне электрического поля	Атом диэлектрика в электрическом поле

Если проводник поместить в электрическое поле, а затем разрезать на две части окажется, что одна его часть имеет положительный заряд, а другая ― отрицательный из-за того, что электроны в проводнике переместились. Если тот же опыт проделать с диэлектриком, то обе половины диэлектрика останутся не заряженными, но на его гранях будут скапливаться избыточные заряды, одинаковые по модулю и противоположные по знаку. Деление диэлектрика на части не принесет эффекта, поскольку каждый его атом (электрический диполь) имеет суммарный заряд, равный нулю.

Чем отличаются диэлектрики от проводников?

Все вещества состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из положительно заряженных ядер вокруг которых располагаются отрицательные электроны. При определенных условиях электроны способны покидать свое ядро и передвигаться к соседним. Сам атом при этом становится положительно заряженным, а соседний получает отрицательный заряд. Передвижение отрицательных и положительных зарядов под действием электрического поля получило название электрического тока.

В зависимости от свойства материалов проводить электрический ток их делят на:

1. Проводники.
2. Диэлектрики.
3. Полупроводники.

Свойства проводников

Проводники отличаются хорошей электропроводностью. Это связано с наличием у них большого количества свободных электронов не принадлежащих конкретно ни одному из атомов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться.

Большинство проводников имеют малое удельное сопротивление и проводят электрический ток с очень небольшими потерями. В связи с тем, что идеально чистых по химическому составу элементов в природе не существует, любой материал в своем составе содержит примеси. Примеси в проводниках занимают места в кристаллической решетке и, как правило, препятствуют прохождению свободных электронов под действием приложенного напряжения.

Примеси ухудшают свойства проводника. Чем больше примесей, тем сильнее они влияю на параметры проводимости.

Хорошими проводниками с малым удельным сопротивлением являются такие материалы:

• Золото.
• Серебро.
• Медь.
• Алюминий.
• Железо.

Золото и серебро – хорошие проводники, но из-за высокой стоимости применяются там, где необходимо получить хорошие качественные проводники с малым объемом. Это в основном электронные схемы, микросхемы, проводники высокочастотных устройств у которых сам проводник изготовлен из дешевого материала (медь), который сверху покрыт тонким слоем серебра или золота. Это дает возможности  при минимальном расходе драгоценного металла хорошие частотные характеристики проводника.

Медь и алюминий — более дешевые металлы. При незначительном снижении характеристик этих материалов, их цена на порядки ниже, что дает возможность для их массового применения. Применяют в электронике, в электротехнике. В электронике – это дорожки печатных плат, ножки радиоэлементов, радиаторы и др. В электротехнике очень широко применяется в обмотках двигателей, для прокладки электрических сетей высокого и низкого напряжения, разводку электричества в квартирах, домах, в транспорте.

Параметр проводимости очень сильно зависит от температуры самого материала. При увеличении температуры кристалла, колебания электронов в кристаллической решетке увеличивается, препятствуя свободному прохождению свободных электронов. При снижении – наоборот, сопротивление уменьшается и при некотором значении близком к абсолютному нулю, сопротивление становится нулевым и возникает эффект сверхпроводимости.

Свойства диэлектриков

Диэлектрики в своей кристаллической решетке содержат очень мало свободных электронов, способных переносить заряде под действием электрического поля. В связи с этим при создании разности потенциалов на диэлектрике, ток, проходящий через него такой незначительный, что считается равным нулю — диэлектрик не проводит электрический ток. Наряду с этим, примеси, содержащиеся в любом диэлектрике, как правило, ухудшают его диэлектрические свойства. Ток, проходящий через диэлектрик под действием приложенного напряжения в основном определяется количеством примесей.

Диэлектрики

Наибольшее распространение диэлектрики получили в электротехнике там, где необходимо защитить обслуживающий персонал от вредного воздействия электрического тока. Это изолирующие ручки разных приборов, устройств измерительной техники. В электронике – прокладки конденсаторов, изоляция проводов, диэлектрические прокладки необходимые для теплоотвода активных элементов, корпуса приборов.

Полупроводники – материалы, которые проводят электричество при определенных условиях, в другом случае ведут себя как диэлектрики.

Таблица: чем отличаются проводники и диэлектрики?

	Проводник	Диэлектрик
Наличие свободных электронов	Присутствуют в большом количестве	Отсутствуют, или присутствуют, но очень мало
Способность материалов проводить электрический ток	Хорошо проводит	Не проводит, или ток незначительно мал
Что происходит при увеличении приложенного напряжение	Ток, проходящий через проводник, увеличивается согласно закону Ома	Ток, проходящий через диэлектрик изменяется незначительно и, при достижения определенного значения, происходит электрический пробой
Материалы	Золото, серебро, медь и ее сплавы, алюминий и сплавы, железо и другие	Эбонит, фторопласт, резина, слюда, различные пластмассы, полиэтилен и другие материалы
Сопротивление	от 10-5 до 10-8 степени Ом/м	1010 – 1016 Ом/м
Влияние посторонних примесей на сопротивление материала	Примеси ухудшают свойство проводимости материала, что ухудшает его свойства	Примеси улучшают проводимость материала, что ухудшает его свойства
Изменение свойств при изменении температуры окружающей среды	При увеличении температуры – сопротивление увеличивается, при снижении – уменьшается. При очень низких температурах – сверхпроводимость.	При увеличении температуры – сопротивление уменьшается.

электростатика — Что такое диэлектрическая проницаемость чистого проводника?

спросил 7 лет, 1 месяц назад

Изменено 20 дней назад

Просмотрено 32к раз

$\begingroup$

Диэлектрическая проницаемость – это отношение диэлектрической проницаемости среды к диэлектрической проницаемости свободного пространства. Как найти диэлектрическую проницаемость проводника?

• электростатика
• электричество
• проводники
• диэлектрик

$\endgroup$

4

$\begingroup$

Для статических электрических полей диэлектрическая проницаемость идеального проводника бесконечна.

Пусть величина внешнего электрического поля в свободном пространстве (относительная диэлектрическая проницаемость = 1) равна $E$.

Если применить это к материалу с относительной диэлектрической проницаемостью $\epsilon_r$, то электрическое поле в материале равно $\dfrac {E}{\epsilon_r}$

Внутри проводника электрическое поле равно нулю, поэтому его относительная диэлектрическая проницаемость бесконечна.

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Внутри металла не происходит образования диполей, следовательно, нет и поляризации как таковой. У нас есть свободные электроны в металлах, не связанные, как у диэлектрика. Следовательно, мы можем утверждать, что его электрическая восприимчивость $\chi$ = 0. Мы знаем, что $\epsilon_r = 1 + \chi$, поэтому можно сказать, что его относительная диэлектрическая проницаемость ($\epsilon_r$) равна 1, учитывая проблемы электростатики. Для переменных во времени полей, т.е. электродинамики, мы определяем комплексную диэлектрическую проницаемость как $\hat{\epsilon}=\epsilon \times (1+\sigma/i\omega\epsilon)$, где для металлов мы можем иметь мнимую часть $\ сигма/\омега\эпсилон >> 1$. Таким образом, для металлов $\hat{\epsilon}=i\sigma/\omega)$, что является большой мнимой величиной, учитывая высокую проводимость металлов.

Хотя этот ответ не является источником, основная идея была получена при наблюдении за значением $\epsilon = \epsilon_0$, которое использовалось во «Введении в электродинамику» Дэвида Гриффитса в задачах (см. главу 9, задачу 20, бит ( б)).

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Значение $k$ дает представление о том, как оно изолирует заряды. Для этой цели используются изоляторы, поэтому проводники делают меньше в этом отношении.

$\endgroup$

$\begingroup$

Диэлектрическая проницаемость пропорциональна отношению плотности поляризации (P) и электрического поля (E), что означает, что диэлектрическая проницаемость обратно пропорциональна электрическому полю.

Электрическое поле (E) внутри проводника всегда равно нулю в статической ситуации, поэтому диэлектрическая проницаемость проводника бесконечна.

$\endgroup$

$\begingroup$

Если диэлектрическая проницаемость внутри проводника бесконечна, то не будет ли это означать, что при заданном изменении электрического поля во времени (скажем, E(t)=250sin wt) плотность тока смещения внутри проводника очень высока? Хотя теоретически он должен быть равен нулю.
И электрическое поле внутри проводника равно нулю, из-за эффекта индуцированного электрического поля внутри проводника, в направлении, противоположном внешнему полю. Наведенное поле векторно добавляется к внешнему полю и отменяет его действие.

$\endgroup$

$\begingroup$

Чистое или результирующее электрическое поле внутри проводника равно нулю поэтому, разделив электрическое поле на ноль, мы получим бесконечность

$\endgroup$

$\begingroup$

Чем больше значение диэлектрической проницаемости, тем больше непроводящее свойство. Если диэлектрическая проницаемость проводника бесконечна, то он будет идеальным изолятором. Электрическое поле внутри проводника в электростатическом состоянии возникает из-за наведенного электрического поля наведенных зарядов, противодействующих внешнему электрическому полю, а не из-за бесконечного значения диэлектрической проницаемости или диэлектрической проницаемости проводника. А ток смещения внутри проводника с изменяющимся во времени электрическим полем, подобным переменному напряжению на проводнике, равен нулю, потому что диэлектрическая способность проводника равна нулю.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Формула Друде не так уж плоха для реальных металлов:

$\varepsilon(\lambda) = 1 — \frac{1}{\frac{\lambda_p}{\lambda}(\frac{\lambda_p}{\lambda } + i \gamma)}$, где $\lambda$ — длина волны в вакууме.

Для золота в инфракрасном диапазоне $\lambda_p$ составляет около 190 нм, а $\gamma$ – около 0,005.

Бит что такое «чистый» проводник? Если хотите убрать потери, поставьте $\gamma = 0$. Член $\lambda_p$ связан с массой и плотностью электронов.

Для идеального проводника $\frac{1}{\varepsilon} = 0$. Для действительно хорошего проводника $\frac{1}{\varepsilon}$ — это небольшое отрицательное число в оптической области и небольшое мнимое число в области ВЧ или постоянного тока.

$\endgroup$

$\begingroup$

Чистый проводник, помещенный между разностью потенциалов и проводящими слоями. Итак, диэлектрическая проницаемость равна нулю

$\endgroup$

1

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Диэлектрики и изоляторы | Tech

Выпуск: 20 февраля 2023 г., Т.П.

Полимеры, пластмассы и поливинилхлорид электрических проводов называются «изоляторами», которые не проводят электричество. «Диэлектрик» представляет собой форму изолятора, который зажат между + и — электродами конденсаторного элемента и обладает свойством накапливать электричество.
Диэлектрик имеет свойства, аналогичные изоляторам, например, не проводит электричество постоянного тока, даже если он находится между + и — электродами. Изоляторы и диэлектрики одинаковы в том, что не проводят электричество, но выполняют разные функции с разными свойствами. Диэлектрики могут накапливать электричество, поскольку они вызывают электрическую поляризацию. Способность накапливать электрическую энергию выражается диэлектрической проницаемостью. Диэлектрики широко используются в конденсаторах и чрезвычайно важны как материалы нового поколения.

Узнайте больше о диэлектриках и изоляторах.

В то время как диэлектрики и изоляторы имеют общее в том, что они препятствуют постоянному току, диэлектрики пропускают переменный ток, поскольку конденсаторный элемент, использующий диэлектрик, будет иметь сопротивление (импеданс), соответствующее частоте. Это означает, что диэлектрики являются проводниками переменного тока. С другой стороны, изоляторы не проводят электричество ни в цепях постоянного, ни в переменного тока. Какая разница?

Диэлектрическая поляризация и постоянная

Диэлектрические материалы также используются в конденсаторах, но электричество не проходит напрямую через диэлектрик. Поэтому диэлектрики подразделяются на изоляторы. Однако диэлектрики обладают свойством пропускать высокочастотные переменные токи с полным сопротивлением (сопротивлением).
Диэлектрический материал поляризуется, если его поместить между положительным и отрицательным электродами. Диэлектрическая поляризация возникает при приложении электрического поля. На молекулярном уровне происходит выравнивание положительных и отрицательных зарядов, что приводит к поляризации, соответствующей положительному и отрицательному электричеству.

Поляризованные диэлектрики обладают свойством притягивать электроны к электродам. Поляризация предотвращает выход части электричества (электронов) из электродов конденсатора, что заставляет его накапливать электричество. В цепи переменного тока по мере увеличения частоты положительные и отрицательные заряды на обоих полюсах конденсатора часто переключаются, и часть электричества, которое не может покинуть электроды конденсатора, сопротивляется переключению, что становится импедансом.

Хотя диэлектрики подразделяются на изоляторы, они могут накапливать электричество и обеспечивать электрическое сопротивление в цепях переменного тока.

Диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение напряженности приложенного электрического поля. Это также показатель поляризуемости. Диэлектрическая проницаемость часто показывает отношение в вакууме, и оно меняется в зависимости от типа диэлектриков. Диэлектрические вещества влияют на характеристики конденсатора.

Материал	Диэлектрическая проницаемость
Титанат бария	ок. 5000
Вода	80,4 (20°C * сильно зависит от температуры)
Глинозем	8,5
Слюда	7,0
Кварц	3,8
Стекло	от 5,4 до 9,9
Резина	от 2,0 до 3,5
Бумага	от 2,0 до 2,6
Парафин	от 2,1 до 2,5
Воздух	1.00059

*из Википедии (CC BY-SA 3.0)

Электрическая разница между проводником, полупроводником и изолятором

В чем разница в атомной структуре проводников и изоляторов? Проводники, такие как металлы, которые могут легко проводить электричество, используются в электрических проводах. Когда металлы рассматриваются на атомном уровне, они обладают несравненно большим количеством «свободных электронов», которые могут свободно перемещаться, чем другие материалы. Эти свободные электроны движутся при приложении напряжения, что приводит к потоку электричества.

Что насчет полупроводников? У них не так много свободных электронов, как у металлов, но они обладают свойством выбрасывать свободные электроны, когда к ним прикладывается энергия извне. В зависимости от материалов и методов изготовления также можно создавать полупроводники с большим количеством свободных электронов (полупроводники n-типа) и полупроводники с большим количеством дырок (полупроводники p-типа), являющиеся аналогом электронов (полупроводники p-типа).

Комбинируя эти два типа полупроводников, можно создать диод, пропускающий ток только в одном направлении, или транзистор, управляющий протеканием тока только тогда, когда это необходимо. Когда диод позволяет току течь в одном направлении, но не в другом, он действует как изолятор и не позволяет току течь. Другими словами, «полупроводник» может быть проводником, таким как металл или изолятор.

Изоляторы не имеют проводимости и свободных электронов в своих атомах. Они имеют очень низкую проводимость и испускают свободные электроны при подаче энергии, как и полупроводники. Тем не менее, энергия, необходимая для достижения этой точки, настолько велика, что электричество не может легко пройти через нее. Винил, пластик, резина и т. д. являются изоляционными материалами. Диэлектрики в некотором смысле являются изоляторами, которые плохо проводят электричество.

Состояние пробоя изолятора

Изоляторы ежедневно обеспечивают нашу жизнь, однако у них есть ограничения. Если к изоляторам будет приложено чрезмерное напряжение, произойдет пробой изолятора. Полупроводники испускают свободные электроны при подаче энергии. Из-за своей структуры на атомном уровне изоляторы испускают свободные электроны, когда применяется энергия выше определенного напряжения.

Например, воздух также обычно является изолятором, который не проводит электричество. Но когда статическое электричество в облаках вызывает состояние высокого напряжения, электричество течет из-за разности потенциалов с землей (удар молнии). Это природное явление также является пробоем изолятора, вызванным приложенной к воздуху энергией определенного напряжения. Он также применяется к оболочке проводов и диэлектрикам, таким как виниловые провода, когда подается напряжение выше допустимого. Поэтому мы должны позаботиться о них, чтобы не произошло пробоя изолятора.

Электростатический заряд и разряд

Статическое электричество — это дисбаланс электрических зарядов внутри или на поверхности изоляционного материала, такого как пластик или винил. Он создается трением и разделением материалов, таких как пластик с флисовым одеялом и т. д. Трение высвобождает отрицательные заряды, называемые электронами, которые могут переноситься и накапливаться на одном объекте, производя статическое электричество (состояние, в котором количество электронов и отверстия разные и имеют разное напряжение.

Материалы будут «заряжены» статическим электричеством. После того, как они заряжены, свободные электроны дают им возможность «разряжаться», когда они приближаются к другому проводнику с другим потенциалом. Некоторые вещества заряжены отрицательно (легко принимают электроны), а другие положительно заряжены (легко испускают электроны). Когда палец или металл касается заряженного вещества, оно испускает электроны или втекает электроны и возвращается в стабильное состояние.

Электростатический разряд или электростатический разряд также может быть причиной повреждения электронных компонентов, таких как микросхемы и конденсаторы, когда напряжение статического электричества может достигать нескольких кВ, в отличие от стандартных электронных схем. Следовательно, предотвращение электростатического разряда необходимо для уменьшения образования статического электричества или добавления схем для защиты электронных компонентов от статического разряда.

Конденсатор состоит из диэлектрика, зажатого между электродами. Различные конденсаторы используются в зависимости от диэлектрических материалов следующим образом.

Пленочный конденсатор

Поскольку в пленочных конденсаторах между электродами используется винил, например полиэтилен, они полностью изолированы. Несмотря на то, что пленочный конденсатор имеет не только долгий срок службы, но и недорогой, он имеет диэлектрическую проницаемость примерно 3 с меньшей емкостью, чем другие конденсаторы. Мы видим пленочный конденсатор, используемый для шумоподавления в звуковом оборудовании.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

В качестве алюминиевых электролитических конденсаторов используется электролитическая бумага, между электродами которой изготовлена ​​алюминиевая фольга.
В качестве диэлектрика используется оксид алюминия, образующийся на поверхности алюминиевой фольги. Алюминиевый электролитический конденсатор имеет диэлектрическую проницаемость около 8 при высокой емкости. Однако электролитическая бумага заполнена электролитом, и оттуда может протекать ток между электродами, поэтому электроды не могут быть полностью изолированы. Электролит представляет собой расходный материал, который постепенно испаряется и требует периодической замены. Конденсаторы с высокой емкостью часто используются в приложениях силовой электроники, таких как инверторы мощности и солнечные инверторы.

В последние годы в некоторых конденсаторах в качестве диэлектриков используются новые керамические материалы. Были керамические конденсаторы с использованием керамики в качестве диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость типичных керамических конденсаторов с ограниченным применением была почти такой же хорошей, как у пленочных конденсаторов.

Недавно разработанная керамика из титаната бария обладает высокой емкостью и диэлектрической проницаемостью 4500, что ничто по сравнению с типичными диэлектрическими материалами. В настоящее время ведется работа по использованию титаната бария для аккумуляторов с использованием свойств конденсатора накапливать электричество.

Что касается работы со сверхвысоким напряжением, важно обеспечить наличие высоковольтных изоляторов. Изоляторы имеют решающее значение для обеспечения безопасности и стабильности, поскольку для изоляции высокого напряжения требуется механическая прочность. В течение многих лет изоляторы использовались для крепления и изоляции опор ЛЭП и линий электропередач, стоящих на земле, из-за их исключительно высокой механической прочности на растяжение и способности к изоляции.

Резиновые материалы также используются для изоляции высокого напряжения. Такие резиновые материалы, называемые изоляционными материалами, должны иметь высокое сопротивление изоляции и диэлектрическую прочность без пробоя изоляции.
Испытания на пробой диэлектрика проводятся для измерения прочности диэлектрика, поскольку напряжение используется для обеспечения надежности. При испытаниях на пробой диэлектрика к изоляционному материалу прикладывают высокое напряжение и измеряют напряжение, при котором он разрушается. Если материал может выдерживать высокое напряжение в течение определенного периода времени, считается, что он имеет прочность изоляции при испытательном напряжении.