Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Jsou látky, které velmi dobře vedou elektrický proud, tzn. vodičů. Jejich opakem jsou dielektrika, neboli izolanty. Blokují izolátory tok elektrického proudu? Existují situace, ve kterých je možné překonat odpor takových izolátorů a umožnit tok elektrického proudu? Jak se chová dielektrika ve vnějším elektrickém poli? To vše se dozvíte v tomto materiálu.
Co je to dielektrikum?
Pojem dielektrika můžeme definovat pomocí měrného odporu (rezistivity) tohoto materiálu.Odpor ρ definujeme jako elektrický odpor vodiče z homogenního materiálu o průřezu S rovném jednomu čtverečnímu metru a délce l rovné jednomu metru. V tomto článku však bude vhodnější vztáhnout měrný odpor materiálu k síle elektrického pole. Uvnitř materiálu, kterým protéká elektrický proud o hustotě j, se nachází pole síly E. Pro homogenní a izotropní materiál můžeme měrný odpor zapsat jako poměr hodnot těchto dvou vektorů:
ρ=E / j
V soustavě SI je jednotka odporu Ohm na metr (Ohmm).
Odpor je konstantní hodnota, která charakterizuje materiál. Čím vyšší je hodnota odporu, tím hůře materiál vede elektrický proud. Předpokládá se, že měrný odpor dielektrik je větší než 107Ohmm, zatímco dobré vodiče mají hodnotu měrného odporu řádově 10-8- 10-6 Ohmm.
Vodivost je „přenos“ elektrických nábojů nosiči. Mezi tyto nosiče patří elektrony. V kovech se například valenční elektrony oddělují od jednotlivých atomů a pod vlivem aplikovaného elektrického pole se pohybují kovem a nesou záporný náboj. V kovu proto protéká elektrický proud. Metal je dobrý dirigent.
V izolátorech jsou naopak náboje relativně stacionární.
Vzhledem k tomu, že dielektrika mají velmi vysoké hodnoty elektrického odporu (obvykle v řádu giga ohmů), musí být k výrobě i malého proudu použito vysoké elektrické napětí v řádu gigavoltů. To zničí dielektrikum.
Vidíme tedy, že vést elektrický proud dielektrikem je nemožné.
Druhy dielektrik a jejich vlastnosti
Dielektrika mají velmi zajímavé vlastnosti. Když jsou umístěny ve vnějším elektrickém poli, podléhají elektrické polarizaci. V tomto případě se uvnitř dielektrika vytvoří elektrické pole nasměrované opačně k vnějšímu poli, které polarizaci způsobilo.
Odkud pochází? Proč se uvnitř dielektrika objevuje elektrické pole? Hledejme odpověď v molekulární struktuře dielektrik.
Existují dva typy dielektrik: polární a nepolární.
Polární dielektrika jsou dielektrika, jejichž molekuly jsou permanentní dipóly. Dipól je uspořádání dvou rozdílných elektrických nábojů stejné velikosti q ve vzdálenosti l od sebe.
Veličina charakterizující dipóly je dipólový moment ρ. Dipólový moment je definován jako součin velikosti náboje q a vektoru l, jehož hodnota se rovná vzdálenosti mezi náboji, směru přímky spojující náboje a návratu od záporného náboje ke kladnému náboji. jedna:
ρ=ql
Rýže. 1. Schéma elektrického dipólu
Jednotka dipólového momentu je součin coulombu a metru (Cm).
V polárních dielektrikách mají molekuly svůj vlastní dipólový moment.
Příklady polárních dielektrik jsou kyselina chlorovodíková (HCl) s dipólovým momentem=3,7010-30Cm a voda (H2O) s dipólovým momentem=6,1510-30Cm.
Rýže. 2. Molekula vody jako dipól
Pokud je takový dipól umístěn ve vnějším elektrickém poli o síle E, bude na něj působit moment síly M:
M=ρE
Moment síly tedy způsobí rotaci dipólu tak, že jeho osa směřuje podél siločáry, jak je znázorněno na obrázku 3.
Rýže. 3. Dipól umístěný v elektrickém poli
Tento okamžik zmizí, když se vektory ρ a E stanou rovnoběžnými.
Nepolární dielektrika nemají vlastní dipólový moment (jejich dipólový moment je nulový).Hybnost však můžeme získat umístěním takového atomu nebo molekuly do vnějšího elektrického pole. V tomto případě jsou kladné náboje (jádra) a záporné náboje (elektrony) odděleny.
Příklady nepolárních dielektrik jsou vodík (H2) a metan (CH4). Bez pole mají nulový dipólový moment.
Existuje také skupina dielektrik se speciálními vlastnostmi. Mezi taková dielektrika patří piezoelektrika, pyroelektrika a feroelektrika.
Piezoelektrika jsou krystaly, ve kterých se při mechanickém namáhání indukují elektrické náboje. To znamená, že pod tlakem (nebo natažením) můžeme generovat elektrické pole.
Příkladem piezoelektrika je křemen. Piezoelektrika se používají jako elektroakustické měniče například v reproduktorech a jako jiskřiště v zapalovačích cigaret.
Pyroelektrika jsou látky (obvykle krystaly), ve kterých dochází k polarizaci při změně teploty, např. při zahřívání.
Příkladem pyroelektrika je triglycinsulfát. Pyroelektrika je speciálním případem piezoelektrik. Pyroelektrika lze použít v termovizních matricích.
Třetím typem dielektrik, o kterých stojí za to vědět, jsou feroelektrika. Feroelektrika získávají dipólový moment při umístění do vnějšího elektrického pole, ale na rozdíl od jiných dielektrik tento moment nezmizí, když hodnota vnějšího pole dosáhne nuly. Dipólový moment feroelektrika se mění, jak ukazuje níže uvedený diagram - tato závislost se nazývá hystereze (z řeckého hystereze - zpoždění).
Rýže. 4. Změna hysterezní smyčky dipólového momentu feroelektrika v závislosti na síle vnějšího elektrického pole
Na obr. 4 vidíme hysterezní smyčku, závislost dipólového momentu p na intenzitě pole E. Zpočátku jsou intenzita pole a dipólový moment 0. S rostoucí intenzitou pole roste i hodnota dipólového momentu.
Poté klesá hodnota elektrického pole - klesá i hodnota dipólového momentu, ale tento pokles je "zpožděný" , jak ukazuje křivka 2.
Když je hodnota E opět 0, hodnota dipólového momentu je pr(remanentní polarizace). Dipólový moment dosáhne nuly pouze pro E=Ec směřující opačně k počátečnímu poli. Po dosažení minima se hodnoty E a p opět zvýší, tentokrát v rámci hystereze, indikované - 3.
Ferroelektrika je speciální případ pyroelektrik.
Pokud jde o stav agregace, dielektrika se rozlišují:
- pevné - může být buď organické (jako je parafín, papír, dřevo nebo guma) nebo anorganické (jako je porcelán, azbest nebo sklo)
- tekutina (např. minerální, syntetické nebo silikonové oleje),
- plynné, které se často používají v elektroizolačních systémech (například vzácné plyny - argon, helium, neon; čpavek, vzduch, oxid uhličitý).