Закрыть

Чем проводник отличается от диэлектрика: Чем отличаются диэлектрики от проводников

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E→ включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E0→ и внутреннее поле E’→ которое создается заряженными частицами вещества.

Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.

Проводники

Отличительная черта проводников заключается в наличии свободных зарядов (электронов), принимающих участие в тепловом движении и способных осуществлять перемещение по всему объему проводника. Типичным примером проводников служат металлы.

Определение 1

Если внешнее поле отсутствует, то в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд будет компенсироваться положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, который внесен в электрическое поле, произойдет перераспределение свободных зарядов, следствием чего будет возникновение на поверхности проводника нескомпенсированных положительных и отрицательных зарядов (рис. 1.5.1). Описанный процесс носит название электростатической индукции, а возникающие на поверхности проводника заряды называют индукционными зарядами.

Индукционными зарядами создается свое собственное поле E’→ и оно компенсирует внешнее поле E0→ во всем объеме проводника: E→=E0→+E’→=0 (внутри проводника).

Определение 2

Полное электростатическое поле внутри проводника есть нуль, а потенциалы во всех точках являются одинаковыми и равными потенциалу на поверхности проводника.

Рисунок 1.5.1. Электростатическая индукция.

Все внутренние области проводника, который внесен в электрическое поле, остаются электронейтральными. Удаление некоторого объема, выделенного внутри проводника, а соответственно образование пустой полости, приведет к тому, что электрическое поле внутри полости станет равным нулю. На этом основана электростатическая защита – приборы, имеющие чувствительность к электрическому полю в целях исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Рисунок 1.5.2. Схема электростатической защиты. Поле в металлической полости равно нулю.

Поскольку поверхность проводника эквипотенциальна, необходимо, чтобы силовые линии у поверхности являлись перпендикуляром к ней.

Диэлектрики

Диэлектрики (изоляторы) отличаются от проводников тем, что не имеют свободных электрических зарядов. Диэлектрики включают в себя нейтральные атомы или молекулы. Заряженные частицы в нейтральном атоме являются связанными друг с другом и не имеют способности к перемещению под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

Внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле E0→ вызовет возникновение в нем некоторого перераспределения зарядов, которые входят в состав атомов или молекул. Следствием этого перераспределения является появление на поверхности диэлектрического образца избыточных нескомпенсированных связанных зарядов. Все заряженные частицы, которые образуют макроскопические связанные заряды, все так же входят в состав своих атомов.

Определение 3

Связанные заряды образуют электрическое поле E’→ направленное внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности E0→ внешнего поля: данный процесс носит название поляризации диэлектрика.

Вследствие поляризации полное электрическое поле E→=E0→+E’→=0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E0→.

Определение 4

Диэлектрическая проницаемость вещества – это физическая величина, которая есть отношение модуля напряженности E0→ внешнего электрического поля, создаваемого в вакууме, к модулю напряженности E→ полного поля в однородном диэлектрике.

ε=E0E.

Известно несколько механизмов поляризации диэлектриков: основные — это ориентационная и электронная поляризации. Проявление этих механизмов происходит в основном при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация появляется, когда полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых имеет место несовпадение центов распределения положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи.

Определение 5

Микроскопические электрические диполи – это нейтральная совокупность двух зарядов, являющихся равными по модулю и противоположными по знаку, расположенных на расстоянии друг от друга.

К примеру, дипольный момент имеет молекула воды, а также молекулы некоторых прочих диэлектриков (h3S, NO2 и т. д.).

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей по причине теплового движения имеют хаотичную ориентацию, в связи с чем на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем является равным нулю.

Если внести диэлектрик во внешнее поле E0→, возникнет частичная ориентация молекулярных диполей. Вследствие этого поверхность диэлектрика получит нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E’→ направленное навстречу внешнему полю E0→ (рис. 1.5.3).

Рисунок 1.5.3. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Поляризация полярных диэлектриков обладает сильной зависимостью от температуры, поскольку тепловое движение молекул выступает в качестве дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм возникает при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не имеют при отсутствии внешнего поля дипольного момента. Электрическое поле, воздействуя на молекулы неполярных диэлектриков, вызывает их деформацию – положительные заряды смещаются в направлении вектора E0→ а отрицательные – в противоположном направлении. В итоге каждая молекула становится электрическим диполем, ось которого имеет направление вдоль внешнего поля.

Поверхность диэлектрика получает нескомпенсированные связанные заряды, которые создают свое поле E’→ имеющее направление навстречу внешнему полю E0→ Таким образом происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Деформация неполярных молекул, испытывающих влияние внешнего электрического поля, не имеет зависимости от теплового движения, т.е. поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры.

Пример 1

В качестве примера неполярной молекулы можно рассмотреть молекулу метана Ch5, в которой четырехкратно ионизированный ион углерода C4– расположен в центре правильной пирамиды; в вершинах этой пирамиды — ионы водорода H+. Наложение внешнего электрического поля вызовет смещение иона углерода из центра пирамиды: в этом случае у молекулы возникнет дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Рисунок 1.5.4. Поляризация неполярного диэлектрика.

В электрическом поле E’→ связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E0→.

В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.

Определение 6

Эффект насыщения – это выстраивание всех молекулярных диполей вдоль силовых линий.

Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 1010–1012 В/м. При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

Определение 7

Электронная поляризация – это процесс поляризации, при котором непарные молекулы получают деформацию электронных оболочек.

Этот механизм универсален, так как деформация электронных оболочек под влиянием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

Определение 8

Ионная поляризация – это поляризация твердых кристаллических диэлектриков, следствием которой является смещение ионов различных знаков, составляющих кристаллическую решетку, в противоположных направлениях при воздействии внешнего поля. В результате смещения на гранях кристалла образуются связанные (нескомпенсированные) заряды.

Пример 2

В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки сместятся в противоположных направлениях, т. е. кристалл подвергнется процессу поляризации.

Когда происходит процесс поляризации неоднородного диэлектрика, связанные заряды могут появиться не только на поверхности, но и в объеме диэлектрика. В таком случае электрическое поле E’→ связанных зарядов и полное поле E→ будут обладать сложной структурой, зависящей от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле _formula_ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E→ точно верно лишь, когда речь идет об однородном диэлектрике, который заполняет все пространство, где создано внешнее поле. В частности:

Определение 9

В случае, когда в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд

Q, напряженность электрического поля E→ этого точечного заряда и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме. Запишем данное утверждение в виде формул:

E→=14πε0·Qεr3r→, φ=14πε0Qεr.

Решение задач от 1 дня / от 150 р. Курсовая работа от 5 дней / от 1800 р.

Реферат от 1 дня / от 700 р.

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.

Разница между диэлектриком и изолятором со сравнительной таблицей

Диэлектрик и изолятор различаются по своему применению. Одно из основных различий между диэлектриком и изолятором заключается в том, что диэлектрик накапливает электрические заряды, а изолятор препятствует потоку электронов. Некоторые другие различия между ними объясняются ниже в сравнительной таблице.

Содержание: диэлектрик и изолятор

  1. Сравнительная таблица
  2. Определение
  3. Ключевые отличия

Сравнительная таблица

Основание для сравнения Диэлектрик Изолятор
Определение Материал, в котором может возникать электрическое поле с минимальной потерей энергии, называется диэлектриком. Вещество с низкой электропроводностью, препятствующее прохождению тока, известное как изолятор.
Поляризация Поляризация в электрическом поле. Нельзя поляризовать
Связка Слабая связь по сравнению с изолятором. Ковалентная связь
Диэлектрическая проницаемость Высокая Низкая
Заряды Хранение зарядов Препятствие зарядам.
Пример Сухой воздух, вакуум, дистиллированная вода и т. д. Хлопок, пластик, слюда и т. д.
Применение Конденсатор, силовой кабель и т. д. Токопроводящие провода в системе высокого напряжения и т. д.

Определение диэлектрика

Диэлектрический материал представляет собой тип изолятора, который имеет некоторое количество свободных электронов. Он поляризуется в присутствии электрического поля. Поляризация — это свойство материала, при котором положительные и отрицательные заряды материала смещены в противоположном направлении. Поляризация уменьшает общее поле материала.

Аккумулирование и рассеивание электрической энергии являются основными свойствами диэлектрического материала. Электропроводность идеального диэлектрического материала равна нулю. Типичным примером диэлектрика является конденсатор. Поляризация между параллельными пластинами конденсатора увеличивает площадь поверхности емкости.

Определение изолятора

Материал, который не пропускает электрический ток, называется изолятором. Изоляционный материал не имеет свободных электронов, поскольку их молекулы имеют прочную ковалентную связь. Удельное сопротивление материала очень велико по сравнению с другими материалами. Удельное сопротивление — это свойство материала, которое показывает сильное препятствие потоку зарядов.

Эбонит, бумага, дерево, пластик – вот некоторые примеры изоляторов.

Основные различия между диэлектриком и изолятором

  1. Материал, сохраняющий электрическую энергию в электрическом поле, известен как диэлектрический материал, тогда как материал, который блокирует поток электронов, известен как изолятор.
  2. Диэлектрический материал поляризуется в присутствии электрического поля, тогда как изоляторы не поляризуются.
    Примечание: Поляризация — это свойство материала, при котором положительные и отрицательные заряды движутся в противоположных направлениях.
  3. Молекулы диэлектрического материала слабо связаны, тогда как молекулы изоляторов прочно связаны друг с другом по сравнению с диэлектриком.
  4. Диэлектрический материал имеет высокую диэлектрическую проницаемость, тогда как изолятор имеет низкую диэлектрическую проницаемость. Диэлектрическая проницаемость измеряет накопительную способность материала.
  5.  Диэлектрический материал накапливает электрические заряды, тогда как изолятор блокирует электрические заряды.
  6. Сухой воздух, вакуум и дистиллированная вода являются примерами диэлектриков, тогда как хлопок, пластик, резина являются примерами изоляторов.
  7. Наиболее распространенным применением диэлектрика является конденсатор, а изоляторы используются в токопроводящих проводах и кабелях.

Почти все изоляторы ведут себя как диэлектрики, но не все диэлектрики изоляторы.

Разница между диэлектриком и изолятором

Электрический изолятор — это материал, который не пропускает через себя электрический ток. С другой стороны, диэлектрик — это электрический изолятор, который можно поляризовать при приложении электрического поля.

Основное различие между изолятором и диэлектриком заключается в том, что изолятор препятствует потоку электронов или зарядов, в то время как диэлектрик накапливает электрические заряды. Диэлектрические материалы могут быть поляризованы, в то время как изоляторы не могут быть поляризованы. Диэлектрические материалы имеют высокое значение диэлектрической проницаемости, в то время как изоляторы имеют низкое значение диэлектрической проницаемости. Давайте посмотрим на настоящую разница между диэлектриком и изолятором .

Разница между диэлектриком и изолятором в виде таблицы

Диэлектрик Изолятор
Диэлектрик – это материал, способный накапливать электрические заряды, или материалы, в которых может возникать электрическое поле с минимальной потерей энергии. Изолятор — это материал с низкой или нулевой электропроводностью, который может создавать препятствия для прохождения электрического тока.
Они могут быть поляризованы при приложении к ним электрического поля. Изоляторы не могут поляризоваться, как диэлектрики, в присутствии электрического поля.
Имеют высокое значение диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость изоляторов довольно низкая.
Связь в диэлектрическом материале слабее, чем в изоляторе. В изоляторах существует сильная ковалентная связь.
Диэлектрические материалы обладают способностью накапливать заряд. Изоляторы не способны накапливать заряд, как диэлектрики, вместо этого они действуют как барьер для потока заряда или препятствуют прохождению тока.

Что такое диэлектрик?

Диэлектрик — изолятор, содержащий некоторое количество свободных электронов. Когда электрическое поле прикладывается к диэлектрическому веществу, оно поляризуется. Поляризация — это явление, при котором положительные и отрицательные заряды вещества движутся в противоположных направлениях. Чистый эффект поля уменьшается из-за поляризации.

Хранение и рассеивание энергии являются ключевыми характеристиками диэлектрического материала. Идеальные диэлектрики обладают нулевой проводимостью. Наиболее распространенным и простейшим примером диэлектрика является конденсатор. Площадь поверхности конденсатора увеличивается из-за поляризации пластин конденсатора.

Когда диэлектрик помещается во внешнее электрическое поле, в нем не происходит движения электрических зарядов, как в случае с проводниками, а происходит лишь небольшое смещение их среднего равновесного положения, вызывающее поляризацию диэлектрика. Именно из-за этой диэлектрической поляризации положительные заряды смещаются в направлении поля, а отрицательные — в противоположном направлении. Из-за этого смещения создается внутреннее электрическое поле, которое уменьшает общее электрическое поле внутри самого диэлектрика.

Связь между диэлектрическими веществами слабая. Диэлектрическая проницаемость определяет накопительную способность вещества. Поскольку диэлектрические вещества обладают способностью накапливать заряд, они имеют высокое значение диэлектрической проницаемости. Некоторыми из распространенных примеров диэлектрических материалов являются вакуум, дистиллированная вода, сухой воздух и т. д.

Что такое изолятор?

Это материалы, которые не пропускают электрический ток. Изоляторы также можно определить как материалы, которые имеют меньшую проводимость и создают препятствия для потока электронов. В отличие от диэлектрических материалов, изоляторы не могут быть поляризованы. Между молекулами диэлектрика существует прочная ковалентная связь.

Значение диэлектрической проницаемости меньше для изоляторов. В отличие от диэлектриков изоляторы не накапливают электрического заряда. Энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости для диэлектриков очень велика. Изолирующие материалы не имеют свободных электронов, потому что их молекулы имеют сильную ковалентную связь. Удельное сопротивление изоляторов наибольшее среди проводников, полупроводников и изоляторов. Удельное сопротивление — это свойство материала, благодаря которому материал сопротивляется протеканию тока.

Изоляторы имеют очень высокое сопротивление, которое еще больше уменьшается с температурой. Так как в изоляторе нет ни электронов, ни дырок, то изоляторы не проводят электрический ток. Примеры изоляторов включают бумагу, резину, пластмассу и т. д.

Заключение

Из приведенного выше обсуждения мы пришли к выводу, что диэлектрики — это изоляционные материалы, которые накапливают электрическую энергию, в то время как изоляторы — это материалы, которые имеют нулевую электропроводность или создают помехи. к протеканию электрического тока.

Диэлектрики могут быть поляризованы при приложении к ним электрического поля, в то время как изоляторы не могут быть поляризованы в присутствии электрического поля. Связь, которая существует в диэлектрическом материале, слабее, в то время как в изоляторах существует сильная ковалентная связь. Примерами диэлектриков являются вакуум, сухой воздух, дистиллированная вода и т. д., а примерами изоляторов — пластик, слюда, хлопок и т.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *