Проводники диэлектрики: Проводники и непроводники электричества — урок. Физика, 8 класс.

Проводники и диэлектрики в электротехнике имеют большое значение.

Все вещества условно, в зависимости от электрических свойств, делятся на две категории — проводники и ди­электрики.
В настоящий момент промышленность имеет огромный ассортимент проводников и диэлектриков (изоляторов). И их ассортимент постоянно растет.

Содержание

• 1 Проводники
  • 1.1 Проводники первого рода
  • 1.2 Проводники второго рода
• 2 Диэлектрики
• 3 Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Проводники

Проводники характеризуются хорошей электропроводностью, т. е. большим количеством свободных электрически заряженных частиц (электронов или ионов), которые могут перемещаться под действием сил поля по проводнику.

Проводники первого рода

Существуют два рода проводников. Проводниками -первого ро­да, в которых возможно перемещение только электронов, являют­ся металлы. В металлических проводниках электроны, располо­женные на внешних орбитах атомов, сравнительно слабо связаны с их ядрами, отчего часть электронов, оторвавшихся от своих ядер, перемещается между атомами, переходя из сферы действия одного ядра в сферу действия другого и заполняя пространство между ними наподобие газа. Эти электроны -принято называть свободными электронами или электронами про­водимости. Свободные электроны находятся в состоянии бес­порядочного (теплового) движения в отличие от положительно заряженных ионов металла, составляющих остов проводника, об­ладающих весьма малой подвижностью и совершающих лишь не­большие колебания около своего среднего положения.

Проводники второго рода

В проводниках второго рода, называемых электролита­ми (водные растворы кислот, солей, щелочей и оснований), под действием растворителя молекулы вещества распадаются на от­рицательные и положительные ионы, которые подобно электро­нам в металлических проводниках могут перемещаться по всему объему проводника.

Диэлектрики

Вещества, число свободных электронов в которых ничтожно мало, называются непроводниками (диэлектриками или изоляторами).К ним относятся газы, часть жидких тел (мине­ральные масла, лаки) и почти все твердые тела, за исключением металлов и угля.

Лучшим непроводником электрического тока является вакуум. Газы, в том числе и воздух, также являются хорошими изоляторами.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Однако при некоторых условиях, например в сильном электри­ческом поле, происходит расщепление молекул диэлектрика на ионы, и вещество, которое при отсутствии электрического поля или в слабом поле было изолятором, становится проводником. Напряженность электрического поля, при которой начинается ио­низация молекул диэлектрика, называется пробивной на­пряженностью (электрической прочностью) диэлектрика. Величина напряженности электрического поля, которая допус­кается в диэлектрике при его использовании в электрической ус­тановке, называется допускаемой напряженностью. Допускаемая напряженность обычно в несколько раз меньше пробивной.

На электрические свойства газов оказывают сильное влияние давление и температура.

В качестве примера приведем значения пробивной напряженности в кв!см для некоторых диэлектриков:
воздух — 30,
масло минеральное (трансформаторное) — 50—150,
электрокартон — 100,
фарфор — 80-150,
слюда — 800-2000.

Проводники и диэлектрики 8 класс видео:

Проводники и диэлектрики

Проводники

К проводникам относятся все металлы и их сплавы, а также электротехнический уголь(каменный уголь, графит, сажа, смола и т.д.)
К жидким проводникам относятся:вода, раствор солей, кислот и щелочей.
К газообразным относятся ионизированные газы.
Электрический ток в твердых проводниках-это направленное движение свободных электронов под действием ЭДС.
ЭДС-электронно-движущая сила.

Свойства проводников:

1. Электрические
   • Удельное сопротивление веществ от которого зависит электропроводимость
   • Сверхпроводимость-это свойство некоторых материалов при температуре равной 101(-273) проводить эл. ток без препятствий, т.е. удельное сопротивление этих материалов равно нулю
2. Физические
   • плотность
   • температура плавления
3. Механические
   • Прочность на изгиб, растяжение и т.д., а также способность обрабатываться на станках
4. Химические
   • Свойства взаимодействовать с окружающей или противостоять коррозии
   • Свойства соединятся при помощи пайки, сварки

Диэлектрики

Не пропускают электрический ток.Диэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением.Используются для защиты проводника от влаги, механических повреждений, пыли.

Диэлектрики бывают

• твердые-все неметаллы;
• жидкие-масла, синтетические жидкости СОВОЛ, СОВТОЛ
• газообразные-все газы:воздух, кислород, азот и т.
  д.

Свойства диэлектриков:

1. Электрические свойства
   • Электрический пробой-устанавление большого тока, под действием высокого электрического напряжения к электроиоляционному материалу определенной толщины.
   • Электрическая прочность-это величина, равная напряжению, при котором может быть пробит электроизоляционному материал толщиной в единицу длины.
2. Физико-химические свойства
   • Нагревостойкость-это способность диэлектрика длительно выдерживать заданную рабочую температуру без заметного изменения своих электроизоляционных качеств.
   • Холодостойкость-способность материала переносить резкие перепады температуры, от +120, до — 120
   • Смачиваемость-способность материала отторгать влагу, испытания проводятся в климатических камерах, типа ELKA, где изделие подвергается увлажнению, создается ТУМАН и мгновенный перепад температуры-СУШКА, и так несколько циклов!
3. Химические
   • Должны противостоять активной(агрессивной) среде
   • Способность склеиваться
   • Растворение в лаках и растворителях, склеиваться
4. Механические
   • Защита металлических проводников от коррозии
   • Радиационная стойкость
   • Вязкость(для жидких диэлектриков)
   • Вязкость-время истечения жидкости из сосуда, имеющего определенную форму и отверстие
   • Предел прочности, твердости
   • Обработка инструментом

• проводники
• диэлектрики

Читайте также:

проводящие среды и диэлектрические среды

Проводники и диэлектрики

Мы различаем следующие типы материи с относительно подвижности электрических зарядов и их поведения в наличие электрического поля:

• проводниковых сред, в которых имеются свободные электрические заряды, т. приводится в направленное движение
• диэлектрики, в которых отсутствуют свободные электрические заряды. Следовательно, наличие электрического поля в такой среде не вызывает движения электрических зарядов.

Проводящая среда и электропроводность σ

В проводящих средах некоторые электроны чрезвычайно подвижны и могут свободно перемещаться по проводящий объем. Эти электроны называются электронами проводимости или свободными электроны.

Свойство электропроводности проводящей среды определяется как коэффициент пропорциональности σ, характеризующий связь между плотностью тока и электрическое поле , отношения известны как закон Ома, .

Электрический ток, возникающий в результате смещения свободных электрических зарядов, называется ток проводимости.

Идеальный дирижер…

Идеальный проводник — это гипотетический материал, не оказывающий сопротивления потоку электрический ток. Это предельный случай, когда электропроводность σ равна бесконечный.

Диэлектрическая среда и относительная диэлектрическая проницаемость ε

_r

Диэлектрическая среда характеризуется следующие свойства:

• электроны атомов прочно связаны с ядром и в эффект, свободных электронов не существует; следовательно, диэлектрики очень хорошие электрические изоляторы.

  Значение удельного сопротивления ρ = 1/σ находится между 10 ¹⁷ и 10

  19 Ом·м

• в наличие электрического поля:

• атомы деформируются в результате действия электрического поля на облака электронов и ядра, и
• произвольная ориентация молекул (групп атомов) изменяется действием электрического поля на положительные и отрицательные ионы

Это явление называется «диэлектрическим поляризация».

Объемная плотность моментов электрических диполей определяет поле поляризации . Электрический поток плотность, вторая величина, характеризующая электрическое поле внутри вещества, определяется соотношением , где ε ₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума.

Если среда характеризуется линейной поляризацией, то эта поляризация пропорциональна к напряженности электрического поля . В этом случае связь между величинами и является линейной, , где ε – диэлектрическая проницаемость материала.

На практике мы используем относительную диэлектрическую проницаемость ε _r как отношение между диэлектрической проницаемостью материала и вакуума ε _r = ε / ε ₀ . Эту величину также называют диэлектрической проницаемостью материал.

Идеальный диэлектрик…

Идеальный диэлектрик — это гипотетический материал, который не пропускает заряд. через (предельный случай, когда проводимость σ равна нулю).

Электрический ток смещения

Явление поляризации в электрических полях переменного тока отвечает за существование переменного тока, называемого электрический ток смещения.

Если электрическое поле изменяется во времени, например, в синусоидальном режиме, колебательный движение диполей появляется из-за их тенденции выравниваться на электрическое поле. Хотя эти колебания локальны и, таким образом, не являются реальными миграция диполей, это локальное движение сравнимо с переменным током, называемым электрический ток смещения.

Этот ток пропорционален произведению ω.ε между пульсациями поля ω =2πf и диэлектрической проницаемости ε .

Реальная среда в электрических полях переменного тока

Граница между диэлектриком и проводником поведение среды в переменных электрических полях не является абсолютным, т.к. материя может быть более или менее проводящей, более или менее диэлектрик.

Действительно, данное тело является более или менее проводящим и более или менее диэлектрическим в зависимости от к частоте. Соотношение σ/ωε ( ω пульсация, ω =2 π f ) показывает относительную значимость:

• переменного тока ток проводимости:

  т.е. проводящего характера среды ( σ ),

• и ток смещения:

  т.е. его диэлектрических свойств (ω.ε )

Таким образом, в переменном электрическом поле имеем:

хороший проводник для σ/ω.

ε >> 1 ,

и хороший диэлектрик для σ/ω.ε << 1 .

2.5: Диэлектрики — Физика LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

17358

• Том Вайдеман
• Калифорнийский университет в Дэвисе

Поляризация

До сих пор мы относили все вещества к одной из двух категорий – изоляторы и проводники – в зависимости от того, удерживают ли они заряды полностью фиксированными или допускают их совершенно свободное движение. Что ж, наверное, неудивительно, что в действительности вещества обычно находятся между этими двумя крайностями. Сейчас мы сосредоточимся на изоляционной стороне спектра. Представьте себе вещество, которое не позволяет зарядам перемещаться, куда им заблагорассудится, но позволяет атомам или молекулам, связывающим эти заряды, изменять свою форму. Такие вещества называются диэлектрики , и они на самом деле обеспечивают эффект, аналогичный тому, который наблюдается в проводниках, хотя он недостаточно экстремальный, чтобы полностью нейтрализовать поле.

Начните с пластины нейтрально заряженного диэлектрика, расположенной между двумя нейтрально заряженными проводящими пластинами. Если пластины затем заряжены, электрическое поле, создаваемое между двумя пластинами, тянет заряды в диэлектрике в противоположных направлениях. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды просто объединяются в пары по-разному, оставляя постоянный нейтральный заряд. Но на поверхностях разделенные заряды не объединяются в пары с противоположными, оставляя суммарный заряд на двух поверхностях диэлектрика, называемый 9.0170 поляризационный заряд .

Рисунок 2. 5.1 – Создание поляризационного заряда на диэлектрике свободно двигаться, они продолжали поляризоваться до тех пор, пока поле net не исчезло внутри проводника. В случае диэлектриков заряды перестают смещаться задолго до того, как поле поляризационного заряда сможет нейтрализовать поле свободного заряда, а это означает, что в конце концов внутри диэлектрика все еще остается чистое поле.

Для геометрии с параллельными пластинами на рисунке выше чистое поле легко вычислить по свободному и поляризационному зарядам, поскольку они оба являются плоскостями. Точно так же мы можем найти результирующее поле в случае диэлектрика внутри конденсатора из концентрических проводящих цилиндров. Но все становится слишком сложным, когда поверхность диэлектрика не ортогональна внешнему полю, поэтому мы будем рассматривать только эти более простые геометрии. Кроме того, мы предположим, что весь диэлектрик состоит из одного и того же материала — количество зарядов, которое они могут разделить, зависит от молекул, поэтому они должны быть одинаковыми во всем образце.

С учетом этих ограничений мы можем заключить, что поле, вызванное поляризационным зарядом (называемое полем поляризации ), имеет направление, противоположное приложенному полю, и поскольку приложенное поле всегда сильнее, мы можем написать:

\[\left|\overrightarrow E_{всего}\right| = \left|\overrightarrow E_{применяется}\right| — \left|\overrightarrow E_{поляризация}\right| \]

Понятно, что увеличение силы приложенного поля сильнее притягивает заряды в диэлектрике и должно увеличивать поляризационный заряд. Мы делаем дальнейшее предположение (подтвержденное экспериментально, пока приложенное поле не слишком велико), что если мы удвоим напряженность поля, поле поляризации также удвоится. То есть поле поляризации пропорционально приложенному полю. Сочетание этого с приведенным выше уравнением означает, что приложенное поле пропорционально полному полю и направлено в том же направлении (при более сильном приложенном поле), и мы напишем константу пропорциональности, называемую диэлектрическая проницаемость в виде строчной греческой буквы каппа:

\[\каппа \эквив \dfrac{\left|\overrightarrow E_{applied}\right|}{\left|\overrightarrow E_{total}\right| } \]

Обратите внимание, что эта константа безразмерна, больше или равна 1. Она равна 1 для вакуума (где нет зарядов для поляризации) или идеального изолятора (который вообще не допускает движения зарядов) ).

Воздействие на конденсаторы

Как можно догадаться по рисунку, диэлектрики чаще всего применяются в конденсаторах. Как влияет на емкость присутствие этого вещества? При одинаковых зарядах на пластинах поляризационный заряд уменьшает электрическое поле между пластинами по сравнению с вакуумным случаем, поэтому разность потенциалов уменьшается. При меньшем напряжении при том же заряде на обкладках емкость равна 9{пластина\;B}\frac{1}{\kappa}\overrightarrow E_{применяется}\cdot \overrightarrow{dl}} = \kappa\dfrac{Q_{на\;пластинах}}{\Delta V_{вакуум} }=\kappa C_{vacuum}\]

Несколько разделов назад мы отмечали, что основная цель конденсатора — хранить электрическую потенциальную энергию. Давайте теперь рассмотрим, что происходит с потенциальной энергией, когда диэлектрик добавляется в конденсатор или удаляется из него. Добавление диэлектрика увеличивает емкость, а удаление уменьшает. Отсюда мы можем следовать вычислениям, выполненным в примере 2.4.1. Там было отмечено, что изменение энергии зависит от того, что остается постоянным при изменении емкости — заряд на обкладках или разность потенциалов, и это надо учитывать и здесь. Единственное отличие здесь состоит в том, что емкость изменяется в результате изменения диэлектрической проницаемости, а не изменения расстояния между пластинами.

Общий результат тот же — при увеличении емкости при введении диэлектрика потенциальная энергия увеличивается, если разность потенциалов удерживается фиксированной, и уменьшается, если пластины вынуждены сохранять один и тот же заряд. Но в приведенном примере изменения энергии учитывались с учетом работы, совершаемой при разделении пластин. Здесь расстояние между пластинами не меняется, поэтому, если работа не совершается, как мы можем объяснить, откуда и куда уходит энергия?

Ну, на самом деле — это работа, проделанная при удалении или вставке диэлектрика. Мы можем увидеть это, посмотрев на то, как должна выглядеть система, когда диэлектрик вставлен частично. Поляризационный заряд на поверхности диэлектрика, находящейся между пластинами, будет притягиваться к свободному заряду на части пластин, которые еще разделены вакуумом:

Диэлектрик

Чтобы вытащить диэлектрик из конденсатора, необходимо добавить работу в систему (эквивалентно увеличению расстояния между пластинами в примере 2.4.1), в то время как вытягивание диэлектрика в конденсатор приводит к удалению энергии из конденсатора. системе в виде работы над диэлектриком. Этот анализ можно выполнить «в обратном порядке», чтобы определить силу, действующую на частично вставленный диэлектрик со стороны конденсатора. В Физике 9А мы узнали, что сила, вызванная полем потенциальной энергии, равна отрицательному значению градиента потенциальной энергии (см. Физика 9).Либретекст, раздел 3.6):

\[\overrightarrow F = -\overrightarrow\nabla U\]

Изменение происходит только параллельно пластинам, которые мы будем называть \(y\)-направлением, так что это упрощает всего на один компонент:

\[ F_y = -\dfrac{dU}{dy} \]

Когда диэлектрик перемещается в пластины на небольшое дополнительное расстояние \(dy\), потенциальная энергия системы изменяется. Насколько она изменится, опять-таки зависит от того, остается ли заряд на пластинах или разность потенциалов постоянными во время процесса (зависимость выполненной работы от того, какая величина поддерживается постоянной, также характерна для примера 2.4.1). Таким образом, все, что нужно сделать, это записать потенциальную энергию конденсатора в любом положении, в котором находится диэлектрик, пересчитать ее для диэлектрика, помещенного на дополнительное расстояние \(dy\), взять разницу, чтобы получить \(dU\), затем разделить на \(dy\). Важной частью этого процесса является то, что конденсатор с частично вставленным диэлектриком эквивалентен двум отдельным конденсаторам, один с вакуумом между пластинами, а другой с диэлектриком между ними. Полная энергия системы представляет собой сумму энергии в этих двух конденсаторах, и нужно иметь в виду, что, поскольку каждая пластина является эквипотенциальной, разность потенциалов между двумя пластинами для двух отдельных конденсаторов одинакова.

Диэлектрическая проницаемость

Одним из способов учета диэлектрической проницаемости является другая константа, с которой мы уже знакомы. Чтобы увидеть это, рассмотрим, как изменяется емкость плоского конденсатора, содержащего вакуум, при введении диэлектрика:

\[C_{vacuum} = \dfrac{A\epsilon_o}{d} \;\;\;\Rightarrow \;\;\; C_{диэлектрик} = \каппа\dfrac{A\epsilon_o}{d}= \dfrac{A\epsilon}{d}\;,\;\;\; где:\;\;\epsilon\equiv\kappa\epsilon_o\]

Наконец-то становится ясно, почему индекс «о» использовался до сих пор: «о» относится к вакууму, поэтому он называется вакуумом. диэлектрическая проницаемость свободное место . Величина \(\эпсилон\) (без нижнего индекса) называется просто диэлектрической проницаемостью диэлектрика. Преимущество этого определения состоит в том, что оно избавляет нас от необходимости повторно получать все результаты, где мы использовали \(\epsilon_o\) ранее для случаев, когда речь идет о диэлектрической среде. Оказывается, мы можем просто вслепую заменить постоянную свободного пространства на константу диэлектрика, и все результаты останутся теми же. Однако здесь следует иметь в виду одну важную деталь.

Мы ввели диэлектрическую проницаемость, а затем диэлектрическую проницаемость, чтобы не учитывать поляризационный заряд. То есть емкость с диэлектриком по-прежнему удовлетворяет \(Q=CV\), где \(Q\) — заряд на обкладках, а не сумма заряда на обкладках с поляризационным зарядом . Везде, где мы используем диэлектрическую проницаемость, должно соблюдаться требование учитывать только свободный заряд (присутствующий заряд, который исключает заряд поляризации). Ниже приводится важный пример соблюдения этого требования.

Закон Гаусса в среде

Рассмотрим случай использования закона Гаусса для определения электрического поля вблизи поверхности проводящей плоскости, как мы это сделали на рис. 1.7.2, но на этот раз с диэлектрической средой, находящейся снаружи проводящей поверхности.

Рисунок 2.5.3 – Поверхность Гаусса для проводящей поверхности вблизи диэлектрика на проводящей поверхности и поляризационный заряд на поверхность диэлектрика.

Чистый поток от гауссовой поверхности (весь поток проходит через левую сторону показанной поверхности) ниже, чем он был бы без диэлектрика, потому что поляризационный заряд компенсирует часть свободного заряда. Различие в потоках происходит исключительно из-за различия в электрическом поле, которое мы уже знаем, как выразить:

\[\Phi_{с\;диэлектриком} = E_{общий}A = \frac{1}{\kappa} E_{приложенный}A = \frac{1}{\kappa} \Phi_{без\;диэлектрика } = \dfrac{\epsilon_o}{\epsilon}\Phi_{без\;диэлектрика}\]

Согласно закону Гаусса поток без диэлектрика равен \(\frac{Q_{plate}}{\epsilon_o} \), поэтому мы можем выразить закон Гаусса в терминах содержащегося свободного заряда, а не полного заключенного заряда, используя диэлектрическую проницаемость:

\[ \oint \overrightarrow E\cdot d\overrightarrow A = \dfrac{Q_{free} {\ эпсилон} \] 92\]

Пример \(\PageIndex{1}\)

Точечный заряд зафиксирован в среде с диэлектрической проницаемостью, равной 2, вблизи большой проводящей плоскости. Если диэлектрик теперь удален, опишите, как изменяются следующие величины:

1. сила, действующая на точечный заряд проводника
2. заряд, индуцированный на поверхности проводника

Раствор

а. Электрическое поле одинаково в обоих случаях, за исключением значения диэлектрической проницаемости, которая вдвое больше, когда диэлектрик есть, чем когда его нет. Это ослабляет электрическое поле точечного заряда в 2 раза. Таким образом, индуцированный заряд на проводящей поверхности реагирует созданием эквивалентного поля, как если бы оно исходило от заряда изображения. Это более слабое индуцированное поле приводит к тому, что на точечный заряд действует сила, вдвое меньшая, чем при отсутствии диэлектрика.

б. Заряд, индуцированный на поверхности проводника, равен отрицательному точечному заряду независимо от того, присутствует диэлектрик или нет.