Урок 26. Лекция 26. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Конденсаторы.

По электрическим свойствам все вещества разделяют на два больших класса — вещества, которые проводят электрический ток (проводники) и вещества, которые не проводят электрический ток (диэлектрики, или изоляторы). 

Мы знаем, что все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из заряженных частиц. Если внешнее поле вокруг вещества отсутствует, то его частицы распределяются так, что суммарное электрическое поле внутри вещества равно нулю. Если вещество поместить во внешнее электрическое поле, то поле начет действовать на заряженные частицы и они перераспределяться так, что в веществе возникнет собственное электрическое поле. Полное электрическое поле  складывается из внешнего поля  и внутреннего поля  создаваемого заряженными частицами вещества.

Проводник — это тело или материал, в котором электрические заряды начинают перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Поэтому эти заряды называют свободными.

В металлах свободными зарядами являются электроны, в растворах и расплавах солей (кислот и щелочей) — ионы.

Диэлектрик — это тело или материал, в котором под действием сколь угодно больших сил заряды смещаются лишь на малое, не превышающее размеров атома расстояние относительно своего положения равновесия. Такие заряды называются связанными.

Рассмотрим подробнее эти классы веществ.

Проводники в электрическом поле.

Проводниками называют вещества, проводящие электрический ток.

Типичными проводниками являются металлы.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов ( в металлах это электроны), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

 

   Явление перераспределения зарядов внутри проводника под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией.

  Заряды, появляющиеся на поверхности проводника, называются индукционными зарядами. 

   Индукционные заряды создают свое собственное поле  , которое компенсирует внешнее поле  во всем объеме проводника:

   (внутри проводника).

   Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

   Диэлектрики в электрическом поле.

   Диэлектриками (изоляторами) называют вещества, не проводящие электрического тока.

   В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

   При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле  в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

   Связанные заряды создают электрическое поле , которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля . Этот процесс называется поляризацией диэлектрика.

   Электрической поляризацией называют особое состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объёма этого вещества не равен нулю.

   В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика  оказывается по модулю меньше внешнего поля .

   Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме  к модулю напряженности полного поля в однородном диэлектрике , называется диэлектрической проницаемостью вещества.

 

   Диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше, чем в диэлектрике. Это величина безразмерная (нет единиц измерения).

   При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле связанных зарядов  и полное поле  могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле   в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем  строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:

   Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд q, то напряженность поля , создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

               

   Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная, электронная и ионная поляризации. Ориентационная и электронная механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков, ионная — при поляризации твердых диэлектриков.

Если двум изолированным друг от друга проводникам сообщить заряды q₁ и q₂, то между ними возникает некоторая разность потенциалов Δφ, зависящая от величин зарядов и геометрии проводников.

Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле часто называют напряжением и обозначают буквой U.

Наибольший практический интерес представляет случай, когда заряды проводников одинаковы по модулю и противоположны по знаку: q₁ = – q₂ = q. В этом случае можно ввести понятие электрической емкости.

Электроемкостью (электрической емкостью) проводников называется физическая величина, характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрический заряд.

Электроемкость находится как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

 В системе СИ единица электроемкости называется фарад [Ф]: 

Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники.

Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.

Простейший конденсатор – плоский конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика.

Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния.

В целом ряде задач можно приближенно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками.

Электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз:

Примерами конденсаторов с другой конфигурацией обкладок могут служить сферический и цилиндрический конденсаторы.

Сферический конденсатор – это система из двух концентрических проводящих сфер радиусов R₁ и R₂.

Цилиндрический конденсатор – система из двух соосных проводящих цилиндров радиусов R₁ и R₂ и длины L.

Емкости этих конденсаторов, заполненных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, выражаются формулами:

   — сферический конденсатор

   — цилиндрический конденсатор

Для получения заданного значения емкости конденсаторы соединяются между собой, образуя батареи конденсаторов.

1) При параллельном соединении конденсаторов соединяются их одноименно заряженные обкладки.

 

Напряжения на конденсаторах одинаковы     U₁ = U₂ = U,  заряды равны q₁ = С₁U и    q₂ = С₂U.

Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор электроемкости C, заряженный зарядом q = q₁ + q₂ при напряжении между обкладками равном U. Отсюда следует  или С = С₁ + С₂

Таким образом, при параллельном соединении электроемкости складываются.

2) При последовательном соединении конденсаторов соединяют разноименно заряженные обкладки

Заряды обоих конденсаторов одинаковы    q₁ = q₂ = q,  напряжения на них равны  и 

Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор, заряженный зарядом q при напряжении между обкладками U = U₁ + U₂.

Следовательно,   или  

При последовательном соединении конденсаторов складываются обратные величины емкостей.

Формулы для параллельного и последовательного соединения остаются справедливыми при любом числе конденсаторов, соединенных в батарею.

Т.е. в случае n конденсаторов одинаковой емкости С емкость батареи

при параллельном соединении С_общ = nС

при последовательном соединении С_общ = С/n

Если обкладки заряженного конденсатора замкнуть металлическим проводником, то по цепи пойдет электрический ток, лампочка загорится и будет гореть до тех пор, пока конденсатор не разрядится. Значит, заряженный конденсатор содержит запас энергии.

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос достаточно малых порций заряда Δq > 0 с одной обкладки на другую.При этом одна обкладка постепенно заряжается положительным зарядом, а другая – отрицательным. Поскольку каждая порция переносится в условиях, когда на обкладках уже имеется некоторый заряд q, а между ними существует некоторая разность потенциалов

   

при переносе каждой порции Δq внешние силы должны совершить работу

   

Энергия W_e конденсатора емкости C, заряженного зарядом q, может быть найдена путем интегрирования этого выражения в пределах от 0 до q:

   

Формулу, выражающую энергию заряженного конденсатора, можно переписать в другой эквивалентной форме, если воспользоваться соотношением q = CU.

   

Электрическую энергию W_e следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе.

По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля.

Диэлектрики — изоляционные материалы | Кабели Atlas

Теоретически идеальный кабель представляет собой неизолированный проводник в свободном воздушном пространстве. Однако на практике не все так просто.

Поверхностный эффект

Чтобы понять важность используемого в кабеле изоляционного материала, рассмотрим прохождение переменного тока через проводник. Различные частоты занимают в проводнике различные радиальные позиции. Низкочастотные сигналы занимают центр проводника, высокочастотные сигналы передаются по его поверхностным слоям. Таким образом, высокочастотные сигналы «вынуждены» протекать по области проводника с меньшим поперечным сечением, чем низкочастотные сигналы, а значит, эффективное сопротивление кабеля для них больше, чем для низкочастотных. Поэтому потери в кабелях зависят от частоты сигнала, и наибольшие потери терпят высокочастотные сигналы. Это явление известно как «поверхностный эффект». В кругах аудиофилов ведется ожесточенная дискуссия на эту тему, поскольку многие утверждают, что поверхностный эффект затрагивает только частоты за пределами человеческого слуха. Однако это не совсем верно – сопротивление проводника начинает расти из-за поверхностного эффекта в районе 20 кГц.

Высокие частоты «отвечают» за тембр, пространственность и чистоту.

См. ниже, слева направо.

• Радиальные позиции частот в проводнике.
• Область, занимаемая верхними частотами в витом проводнике.
• Область, занимаемая верхними частотами в цельном проводнике.

Низкие и средние частоты занимают центр проводника. Оптимизация низкочастотных составляющих сигнала особенно важна в акустических кабелях. Обширные тестовые исследования доказывают, что для чистого звучания басов проводник должен иметь поперечное сечение от 3,00 до 4,5 мм2.

Кроме того, «большие» кабели должны быть витыми, в них должен использоваться высококачественный диэлектрик, такой как полиэтилен, тефлон или микропористый тефлон. На качество звучания также влияют и другие факторы, не поддающиеся измерению.

Конструкции с применением множественных изолированных жил преодолевают проблемы, связанные с увеличением сопротивления из-за поверхностного эффекта, однако такие низкоиндуктивные кабели имеют более высокую емкость. Кабели с низкой емкостью и низким сопротивлением не будут влиять на устройства, к которым они подключены в той степени, насколько кабели с высокой емкостью; акустические кабели должны иметь низкое сопротивление во избежание потерь сигнала, а межблочные кабели должны обладать низкой емкостью для увеличения скорости распространения сигнала.

Аудиосистемы, которые звучат в акустическом диапазоне ярче других, могут работать на грани нестабильности из-за использования кабелей высокой емкости. Яркость часто ошибочно принимается за улучшенную динамику, но «улучшения» динамического диапазона не должны достигаться за счет низкочастотной информации, поскольку это может вызвать нестабильность усилителя. Нежелательная яркость также свойственна посеребренным кабелям, которые через некоторое время утомляют слушателей. Atlas никогда не использует для аудиоприложений посеребренные кабели или кабели из различных металлов с разным сопротивлением и разными характеристиками.

Три вышеприведенных рисунка иллюстрируют, слева направо, радиальные области, занимаемые сигналом в проводнике в зависимости от частоты. Низкие частоты занимают центр проводника. Отсюда следует, что «толстый» проводник обладает меньшим сопротивлением в низкочастотном диапазоне и обеспечивает больше басов. Вот почему Atlas выпускает кабели разного сечения – например, акустические кабели Hyper выпускаются сечением 1,5, 2,0 и 3,0 мм2. В тех случаях, когда необходимы мощные басы, требуется применение кабеля большого сечения. Кроме того, при большой длине акустических кабелей лучше использовать более «толстые» кабели.

На втором рисунке показана область, занимаемая верхними частотами в витом проводнике.

На третьем рисунке показана область, занимаемая верхними частотами в цельном проводнике. Она больше, чем в витом проводнике, поэтому высокочастотный сигнал в цельном проводнике встречает меньшее сопротивление, в связи с чем в этом случае обеспечивается лучшая передача верхних частот. Во всех акустических кабелях bi-wire, производимых Atlas, используются витые проводники для передачи басов и цельные проводники – для передачи верхних частот. Напрашивается вопрос: почему не использовать цельный проводник и для тех, и других частот? Если взять, к примеру, цельный проводник сечением 3,00 мм2, при изгибе он будет не сгибаться, а ломаться, так что это непрактично. Это еще одна из причин использования витых проводников. Приблизительное оптимальное сечение цельного проводника – 1,5 мм2. Акустические кабели bi-wire, производимые Atlas, на стороне, подключаемой к колонкам, имеют четыре вывода неравной длины. Два более длинных вывода подключаются к верхнечастотным разъемам колонок (конечно, при условии, что они поддерживают режим bi-wire!), а два коротких – к низкочастотным разъемам.

Высокочастотные сигналы занимают периферийные слои проводника (см.

выше). Низкокачественные диэлектрики уменьшают скорость распространения этих сигналов, что в результате приводит к звучанию, смещенному в сторону нижних и средних диапазонов акустического спектра. Плохое звучание часто связано с применением кабелей с низкокачественной изоляцией.

Изоляция из поливинилхлорида (PVC) дешева в производстве и наиболее часто используется в аудио и видео кабелях. Поливинилхлорид – низкокачественный диэлектрик, один из худших для аудио и видео сигналов, часто вызывающий большие потери из-за существенного снижения скорости распространения сигнала. Поливинилхлорид гораздо лучше подходит для силовых кабелей, а в аудио и видео кабелях его применения следует избегать.

Другие распространенные диэлектрики – полиэтилен, полипропилен и политетрафторэтилен (ПТФЭ), более известный под названием «тефлон». Недавно компания Atlas создала новый уникальный диэлектрик – микропористый тефлон.

Тефлон имеет высокую температуру плавления (327°C), которая идеально подходит для нанесения тефлонового покрытия на непригарные сковороды, но вызывает трудности при покрытии обработанной меди – при высоких температурах медь OFC и OCC возвращаются к гранулярному состоянию, теряя свою монокристаллическую структуру и превращаясь в технически чистую медь.

Последние несколько лет компания Atlas совместно со своими поставщиками исследовала способы нанесения тефлоновых покрытий на обработанную медь, не дающие вышеописанных негативных эффектов. Благодаря этим развернутым исследованиям теперь стало возможным наносить на обработанную медь покрытие из одного из типов тефлона под названием «фторированный этилен-пропилен» (ФЭП), температура плавления которого – 275°. При нанесении покрытия медь одновременно охлаждается.

ФЭП существенно снижает диэлектрические потери в кабелях, сохраняя при этом все преимущества низкозернистых медных проводников. Этот вид тефлона используется во всех продуктах серии Atlas Ascent, в акустических кабелях Hyper и других.

Дальнейшие исследования привели к использованию в качестве диэлектрика микропористого тефлона (ПТФЭ). Первые продукты Atlas, в которых применяется этот изоляционный материал – межблочные и акустические кабели Mavros и Asimi.

Микропористый тефлон – это уникальный материал с низким удельным весом и существенно лучшими характеристиками по сравнению с обычным тефлоном. Микропористый тефлон содержит значительно большее количество воздуха, чем цельный тефлон. Воздух содержится в микроскопических (менее половины микрона диаметром) пузырьках внутри материала. Благодаря этому достигается чрезвычайно низкая диэлектрическая проницаемость – от 1,3 до 1,5 (следующий по качеству диэлектрик, тефлон, имеет диэлектрическую проницаемость от 2,1 до 2,3). Скорость распространения сигнала в кабелях с изоляцией из микропористого тефлона на 70-80% выше, чем в обычных кабелях, и примерно на 30% выше, чем в кабелях с изоляцией из обычного тефлона.

Микропористый тефлон (ПТФЭ) отличается повышенной фазовой стабильностью при температурных колебаниях. Фазовая стабильность кабеля зависит от коэффициента теплового расширения диэлектрика и проводников. Поскольку микропористый тефлон имеет более низкий коэффициент теплового расширения по сравнению с обычным тефлоном, его использование улучшает фазовую стабильность при колебаниях температуры.

При одинаковом внешнем диаметре кабели с изоляцией из микропористого тефлона обеспечивают меньшие потери сигнала, чем кабели с изоляцией из обычного тефлона. Во-первых, это связано с тем, что низкий коэффициент затухания самого диэлектрика уменьшает ослабление сигнала, особенно на высоких частотах. Во-вторых, с тем, что низкая диэлектрическая проницаемость микропористого тефлона позволяет использовать проводники большего диаметра. Так, в кабелях Mavros улучшение передачи низкочастотной информации (то есть звучание басов) достигается путем применения проводников увеличенного диаметра в изоляции из микропористого тефлона.

Термическое расширение цельного тефлона оказывает неблагоприятные механические воздействия на кабель, поскольку с расширением тефлона при нагревании может уменьшиться воздушный зазор между изоляцией кабеля и контактом разъема, что изменяет характеристики импеданса разъема. При применении микропористого тефлона, минимально расширяющегося при нагревании, эти эффекты практически несущественны.

Вышеописанные различия между микропористым и обычным тефлоном могут показаться незначительными, однако кумулятивный эффект этих маленьких различий приводит к ухудшению передачи аудиосигналов и не позволяет полностью раскрыть все нюансы музыкальных записей.

В нижеприведенной таблице приведены свойства ряда диэлектриков. Поливинилхлорид (PVC), хотя и не используется в кабелях Atlas, приведен для сравнения.

В нижеприведенной таблице приведены свойства ряда диэлектриков. Поливинилхлорид (PVC), хотя и не используется в кабелях Atlas, приведен для сравнения

Сравнение диэлектриков (диаметр 0,3 мм)

	Диэлектрик
Характеристики	Поливинилхлорид	Пористый полиэтилен	Полипропилен	Тефлон (ФЭП)	Микропористый тефлон (PTFE)
Диэлектрическая проницаемость (50-106 Гц)	4-8	2.3	2.25	2.1	1.3
Диэлектрическая прочность (кВ мм-1)	23-30	30-50	30-50	20-25	н/д
Тангенс угла потерь (в % при 50-106 Гц)	8-15	0. 02-0.05	0.02 — 0.06 (@ 106 Hz)	0.02-0.07	н/д
Объемное удельное сопротивление (Ом/см cm при 20°C)	1012-15	> 1017	6.5 x 1014	> 1016	н/д
Прочность на разрыв (кг/мм2)	1.0-2.5	1.0-2.0	3.0-4.0	1.9-2.2	1.0
Температура плавления (°C)	-130	112-120	155-160	275	275
Максимальная постоянная рабочая температура (°C)	60	75	90	200	260
Минимальная рабочая температура (°C)	от -15 до -40	<-60	от -5 до -45	<-60	-250

Диэлектрики и изоляторы | Tech

Выпуск: 20 февраля 2023 г. , Т.П.

Полимеры, пластмассы и поливинилхлорид для 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 такие же свойства, как изоляторы, 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 между проводниками и изоляторами? 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 представляет собой 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 длительный срок службы, но и недорогой, он имеет диэлектрическую проницаемость приблизительно 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.

Высокая диэлектрическая прочность для применений с высоким напряжением делает продукт безопасным и высококачественным, что приводит к увеличению срока службы.

Связанные столбцы

• Какова роль конденсатора в электронных компонентах? Фокусировка на механизме
• Типы конденсаторов. Основные сведения о компонентах
• Как прочитать код резистора и конденсатора
• Электрические двухслойные конденсаторы оптимальны для выравнивания мощности

Рекомендуемые продукты

Программируемые электростанции постоянного тока Matsusada Precision используются для испытаний электронных материалов диэлектриков и изоляторов, а также для испытаний на пробой диэлектриков (испытания Hipot). Мы предлагаем широкий ассортимент высоковольтных источников питания, идеально подходящих для тестирования и оценки конденсаторов и аккумуляторов, производственных линий и пьезоэлектрических драйверов.

2.5: Диэлектрики — Физика LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

17358

• Том Вайдеман
• Калифорнийский университет, Дэвис

Поляризация

До сих пор мы помещали все вещества в одну из двух категорий — изоляторы и проводники — различающиеся тем, удерживают ли они заряды полностью фиксированными или позволяют им полностью свободно перемещаться. 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. 0192 поляризационный заряд .

Рисунок 2.5.1 – Создание поляризационного заряда на диэлектрике

Мы видели то же самое в проводнике, но поскольку заряды могли двигаться совершенно свободно, 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 из свободного и поляризационного зарядов, так как они оба являются плоскостями. Аналогичным образом 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 ), направлено в сторону, противоположную 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 основное назначение 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 — с увеличением 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 там — это работы по удалению 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). 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 его называют 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 пластинах, а не комбинация заряда на пластинах с поляризационным зарядом . Везде, где мы используем диэлектрическую проницаемость, должно соблюдаться требование учитывать только свободный заряд (присутствующий заряд, исключающий 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 05

Эта гауссова поверхность охватывает как свободный заряд на проводящей поверхности, так 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 свободного заключенного 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 теперь диэлектрик 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 сила на точечном заряде вдвое меньше, чем при отсутствии диэлектрика.

б. Заряд, индуцированный на поверхности проводника, равен отрицательному точечному заряду независимо от того, присутствует диэлектрик или нет. Мы можем доказать это несколькими способами.