Site Loader

Содержание

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.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

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.

2. Проводники, диэлектрики и поток электронов | 1. Основы электроники | Часть1

2. Проводники, диэлектрики и поток электронов

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Электроны различных типов атомов обладают разными степенями свободы перемещения. В некоторых материалах, таких как металлы, внешние электроны атомов настолько слабо связаны с ядром, что легко могут покидать свои орбиты и хаотично двигаться в пространстве между соседними атомами даже при комнатной температуре. Такие электроны часто называют свободными электронами

В других типах материалов, таких как стекло, у электронов в атомах существует очень небольшая свобода перемещения. Однако внешние силы, например физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть собственные атомы и перейти к атомам другого материала, но они не могут свободно перемещаться между атомами  материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электропроводность. Электропроводность определяется типами атомов материала (количество протонов в ядре атома, определяющее его химическую идентичность) и способом соединения атомов друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками.

Ниже приведено несколько примеров наиболее распространенных проводников и диэлектриков:

Проводники:

  • серебро
  • медь
  • золото
  • алюминий
  • железо
  • сталь
  • латунь
  • бронза
  • ртуть
  • графит
  • грязная вода
  • бетон


Диэлектрики:

  • стекло
  • резина
  • нефть
  • асфальт
  • стекловолокно
  • фарфор
  • керамика
  • кварц
  • (сухой) хлопок
  • (сухая) бумага
  • (сухая) древесина
  • пластмасса
  • воздух
  • алмаз
  • чистая вода

Следует понимать, что не у всех проводящих материалов одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково сопротивляются движению электронов. Электрическая проводимость аналогична прозрачности некоторых материалов: материалы, которые легко «пропускают» свет, называют «прозрачными», а те, которые его не пропускают, называют «непрозрачными». Однако, не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет. Оконное стекло — лучше чем органическое стекло, и конечно лучше чем «прозрачное» стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, некоторые из них лучше пропускают электроны, а некоторые — хуже.

Например, серебро является лучшим проводником в представленном выше списке «проводников», обеспечивая более легкий проход электронов чем любой другой материал из этого списка. Грязная вода и бетон также значатся как проводники, но эти материалы являются существенно менее проводящими чем любой металл.

Некоторые материалы изменяют свои электрические свойства при различных температурных условиях. Например, стекло является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником, если его нагреть до очень высокой температуре. Газы, такие как воздух, в обычном состоянии — диэлектрики, но они также становятся проводниками при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов, наоборот, становятся менее проводимыми при нагревании, и увеличивают свою проводимость при охлаждении. Многие проводники становятся идеально проводящими (сверхпроводимость) при экстремально низких температурах.

В обычном состоянии движение «свободных» электронов в проводнике хаотично, без определенного направления и скорости. Однако, путем внешнего воздействия можно заставить эти электроны двигаться скоординировано через проводящий материал. Такое направленное движение электронов мы называем электричеством, или электрическим током. Чтобы быть более точным, его можно назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества, в котором накопленный электрический заряд неподвижен. Электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника точно так же, как вода течет через пустоту трубы. Приведенная аналогия с водой в нашем случае уместна, потому что движение электронов через проводник часто упоминается как «поток».

Поскольку электроны двигаются через проводник равномерно, то каждый из них толкает находящиеся впереди электроны. В результате все электроны движутся одновременно. Начало движения и остановка электронного потока на всем протяжении проводника фактически мгновенны, даже несмотря на то, что движение каждого электрона может быть очень медленным. Приблизительную аналогию мы можем увидеть на примере трубки, заполненной мраморными шариками:


Трубка заполнена мраморными шариками точно также, как проводник заполнен свободными электронами, готовыми к перемещению под воздействием внешних факторов. Если вставить еще один мраморный шарик в эту заполненную трубку слева, то последний шарик сразу выйдет из нее справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел короткое расстояние, передача движения через трубку в целом произошла мгновенно от левого конца до правого, независимо от  длины трубки. В случае с электричеством, передача движения электронов от одного конца проводника к другому происходит со скоростью света: около 220 000 км. в секунду!!! Каждый отдельный электрон проходит через проводник в гораздо более медленном темпе.

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении к определенному месту, мы должны проложить для них соответствующий путь из проводов, точно так же, как водопроводчик должен проложить трубопровод, чтобы подвести воду к нужному месту. Для облегчения этой задачи, провода изготавливаются из хорошо проводящих металлов, таких как медь или алюминий.

Электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающего передвижение электронов. По аналогии с мраморными шариками мы можем видеть, что шарики будут «течь» через трубку только в том случае, если она будет открыта с правой стороны. Если трубку заблокировать, то мрамор будет «накапливаться» в ней, а соответственно не будет и «потока». То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует непрерывного пути для обеспечения этого потока. Давайте посмотрим на схему, чтобы понять, как это работает:


 

Тонкая, сплошная линия (показанная выше) является схематическим обозначением непрерывной части провода. Так как провод сделан из проводящего материала, такого как медь, у  составляющих его атомов существует много свободных электронов, которые могут свободно перемещаться по нему. Однако, в пределах такого провода никогда не будет направленного и непрерывного потока электронов, если у него не будет места, откуда приходят электроны и места, куда они идут. Давайте в нашу схему добавим гипотетические  «Источник» и «Получатель» электронов:

 


Теперь, когда Источник поставляет новые электроны в провод, через этот провод пойдет поток электронов (как показано стрелками, слева-направо). Однако, поток будет прерван, если проводящий путь, образованный проводом, повредить:


 

В связи с тем, что воздух является диэлектриком, образовавшийся воздушный разрыв разделит провод на две части. Некогда непрерывный путь нарушается, и электроны не могут течь от Источника к Получателю. Аналогичная ситуация получится, если водопроводную трубу разрезать на две части, а концы в месте разреза закупорить: вода в этом случае течь не сможет. Когда провод был одним целым, у нас была электрическая цепь, и эта цепь была нарушена в момент повреждения. 

Если мы возьмем еще один провод  и соединим им две части поврежденного провода, то снова будем иметь непрерывный путь для потока электронов. Две точки на схеме показывают физический (металл-металл) контакт между проводами:


Теперь у нас снова есть цепь, состоящая из Источника, нового провода (соединяющего поврежденный) и Получателя электронов. Если рассматривать аналогию с водопроводом, то  установив тройник на одной из закупоренных туб, мы можем направить воду через новый сегмент трубы к месту назначения. Обратите внимание, что в правой части поврежденного провода нет потока электронов, потому что он больше не является частью пути от Источника до получателя электронов.  

Следует отметить что проводам, в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге разъедаются ржавчиной, никакой «износ» от воздействия потока электронов не грозит. При движении электронов, в проводнике возникает определенная сила трения, которая может вырабатывать тепло. Подробнее эту тему мы рассмотрим несколько позже.

Краткий обзор:

  • В проводниках, электроны находящиеся на внешних орбитах атомов могут легко покинуть эти атомы, или наоборот присоединится к ним. Такие электроны называются свободными электронами.
  • В диэлектриках внешние электроны имеют намного меньше свободы передвижения, чем в проводниках.
  • Все металлы являются электрически проводящими.
  • Динамическое электричество, или электрический ток — это  направленное движение электронов через проводник.
  • Статическое электричество — это неподвижный (если на диэлектрике), накопленный заряд, сформированный избытком или недостатком электронов в объекте.
  • Для обеспечения потока электронов нужен целый, неповрежденный проводник, который обеспечит приём и выдачу электронов.

Источник: Lessons In Electric Circuits

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.

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:

Электрический заряд электризация тел проводники и диэлектрики

ü  характеризовать электрический заряд;

ü  объяснять процесс электризации тела трением, соприкосновением и индукцией;

ü приводить примеры положительного и отрицательного проявления электризации.

 

   Этапы изучения новой темы

1.      1. Проведите эксперимент: Привяжите к шарику нитку Потрите шарик о голову Поднесите свой шарик к шарику соседа по парте, держа его за нитку? Что происходит? Какой заряд имеют Ваши шарики? Какой вывод можно сделать? Затем введите понятие одноименных и разноименных зарядов, и взаимодействия между ними.

2.      Рассмотреть виды электризаций с примерами и взаимодействие зарядов между телами.

3.      Обсудить в группах проблемные вопросы и затем презентовать решение перед классом:

1 группа: Комиссия, проверяющая работу в типографии была возмущена тем, что несколько раз в день печатные (ротационные) машины отключались, для проведения в цеху влажной уборки. Это, по их мнению, снижало производительность труда, повышало себестоимость печатной продукции. Мастер цеха Петров Иван Иванович объяснил, что это необходимо делать для того, чтобы снять статическое электричество с бумаги и машины, для предотвращения заминания и порыва бумаги и возможности пожара. Вопросы к кейсу: — Кто прав? Иван Иванович или комиссия? — Как повысить производительность труда и себестоимость печатной продукции?

2 группа: Механик автоколонны по перевозке нефти Сидоров Пётр Кузьмич не подписал путёвку в рейс Синицину Дмитрию Викторовичу, так как на его бензовозе цепь утратила несколько звеньев и была недостаточно длинной. Однако Синицин самовольно покинул автогараж и уехал в рейс, так как не хотел, чтобы пропал рабочий день. На посту ДПС бензовоз был остановлен и отправлен на принудительную стоянку за несоблюдение правил перевозки опасных грузов. По решению суда Синицин был лишён водительских прав сроком на 1 год. Вопросы к кейсу:  — Зачем к бензовозам прицепляют цепь до земли? — Прав ли был механик автоколонны? — Не слишком ли суровое наказание понёс Синицин?

3 группа: Мастеру прядильного цеха Волохову Степану Ивановичу был объявлен выговор за то, что он не следил за влажностным режимом в цеху. По его вине, нити при электризации друг о друга и о детали станка, путались и рвались. Степан Иванович с выговором был не согласен. Он считал, что в разрыве нитей виноваты работницы, которые плохо следили за работой станка. Вопросы к кейсу: — Почему так важен влажностный режим в цехах текстильной промышленности — Справедливо ли был наказан мастер Степан Иванович? — Могли ли быть последствия при трении нитей и не соблюдении влажностного режима более серьёзными?

       4 группа: Учащиеся дискутируют на тему «Электризация полезна или   вредна?» Затем учащиеся читают дополнительную литературу и заполняют таблицу (приведите примеры вредного воздействия и полезного действия электризации)

 

Вредное воздействие

электризации

Полезное действие электризации

 

 

 

 

Чем отличаются диэлектрики от проводников

Для того чтобы исследовать явления, которые происходят при введении различных веществ в электрическое поле, рассмотрим свойства этих веществ.

Определение

Проводник — тело, в объёме которого находится большое количество свободных зарядов, которые перемещаются по всему объёму этого тела. Различают проводники с  электронной и ионной проводимостью. К первым относятся все металлы и сплавы. Ко вторым — электролиты, то есть водные растворы солей, щелочей, кислот и др.

Диэлектрик — тело, в объёме которого нет  свободных  зарядов. Диэлектрик состоит из нейтральных атомов или молекул. В нейтральном атоме все заряженные частицы тесно связаны друг с другом, в результате чего даже под воздействием электрического поля они не могут перемещаться по всему объёму тела. Поэтому диэлектрики практически не проводят электрический ток и имеют очень низкую электропроводность. К ним можно отнести стекло, смолы, лаки и т.д.

к содержанию ↑

Сравнение

В проводниках в отличие от диэлектриков, высокая концентрация свободных электрических зарядов. В металлах таковыми являются свободные электроны, которые способны передвигаться по всему объёму вещества. Возникновение свободных электронов обусловлено тем, что валентные электроны в атомах металлов весьма плохо взаимодействуют с ядрами и  легко теряют связь с ними.

У диэлектриков, напротив, электроны с атомами крепко связаны и не имеют возможности свободно перемещаться под воздействием электрического поля. И так как количество свободных заряженных носителей в диэлектриках ничтожно мало, из этого следует, что в них отсутствует электростатическая индукция, и напряжённость электрического поля внутри диэлектриков не превращается в ноль, а только уменьшается.

Напряжённость нельзя повышать безгранично, т. к. при определенной величине все заряды могут сместиться настолько, что произойдет изменение структуры материала, иными словами, произойдет пробой диэлектрика. В этом случае он потеряет свои изоляционные свойства.

к содержанию ↑

Выводы TheDifference.ru

  1. В проводнике свободные электроны, подвергающиеся влиянию сил электрического поля, перемещаются по всему объему.
  2. В отличие от проводника, в диэлектрике (изоляторе) нет свободных зарядов. Изоляторы состоят из нейтральных молекул или атомов. Заряды в нейтральном атоме друг с другом сильно связаны и не могут перемещаться под воздействием электрического поля по всему объёму диэлектрика.

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Добавлено 20 сентября 2020 в 04:12

Сохранить или поделиться

Электроны атомов разных типов имеют разную степень свободы передвижения. В некоторых типах материалов, таких как металлы, внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под воздействием тепловой энергии комнатной температуры. Поскольку эти практически несвязанные электроны могут свободно покидать свои атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют свободными электронами.

Проводники и диэлектрики

В других типах материалов, таких как стекло, электроны атомов имеют очень маленькую свободу передвижения. Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои атомы и перейти к атомам другого материала, они не так легко перемещаются между атомами внутри самого материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электрическая проводимость (электропроводность). Электропроводность определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома определяет его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками. Ниже приведено несколько распространенных примеров проводников и диэлектриков:

ПроводникиДиэлектрики
  • серебро
  • медь
  • золото
  • алюминий
  • железо
  • сталь
  • латунь
  • бронза
  • ртуть
  • графит
  • недистилированная вода
  • бетон
  • стекло
  • резина
  • масло
  • асфальт
  • оптоволокно
  • фарфор
  • керамика
  • кварц
  • (сухой) хлопок
  • (сухая) бумага
  • (сухое) дерево
  • пластмасса
  • воздух
  • алмаз
  • дистилированная вода

Следует понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково устойчивы к движению электронов. Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, – «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет. Оконное стекло лучше, чем большинство пластиков, и, конечно, лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро является лучшим проводником в списке «проводников», предлагая более легкий проход для электронов, чем любой другой упомянутый материал. Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но эти материалы обладают значительно меньшей проводимостью, чем любой металл.

Также следует понимать, что некоторые материалы в зависимости от условий изменяют свои электрические свойства. Стекло, например, является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов при нагревании становятся худшими проводниками, а при охлаждении – лучшими. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью) при чрезвычайно низких температурах.

Поток электронов / электрический ток

Хотя нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут двигаться через проводящий материал и согласованным образом. Это движение электронов в заданном направлении мы называем электричеством или электрическим током. Точнее, это можно назвать динамическим электричеством в противоположность статическому электричеству, которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Подобно воде, протекающей через пустоту трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может показаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком».

Здесь можно сделать примечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон планомерно движется через проводник, он толкает электрон впереди, и поэтому все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по всей длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника до другого, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Примерная аналогия – трубка, полностью заполненная шариками:

Рисунок 1 – Трубка с шариками, как аналогия потока электронов

Трубка наполнена шариками, так же как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под действием внешнего воздействия. Если один шарик вставляется в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит практически мгновенно от левого конца к правому, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: быстрые 300 000 километров (~186 000 миль) в секунду!!! Однако каждый отдельный электрон движется через проводник гораздо медленнее.

Поток электронов через провод

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны обеспечить им правильный путь, точно так же, как водопроводчик должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, куда он хочет. Чтобы облегчить это, изготавливаются провода самых разных размеров из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с трубкой, шарики могут втекать в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны для вытекания шариков. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики будут просто «накапливаться» внутри трубки, и «потока» шариков не будет. То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, разрешающего этот поток. Давайте посмотрим на рисунок, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Рисунок 2 – Провод

Тонкая сплошная линия (показанная выше) является условным обозначением непрерывного отрезка провода. Поскольку провод сделан из проводящего материала, такого как медь, составляющие его атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проводу. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда взяться и куда идти. Давайте добавим гипотетические «источник» и «пункт назначения» электронов:

Рисунок 3 – Источник и пункт назначения электронов

Теперь, когда источник электронов заталкивает новые электроны в провод слева, может возникать поток электронов через провод (на что указывают стрелки, указывающие слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проводом, будет нарушен:

Рисунок 4 – Нарушение потока электронов через провод

Электрическая непрерывность

Поскольку воздух является изолирующим материалом, а два куска провода разделяет воздушный зазор, некогда непрерывный путь был разорван, и электроны теперь не могут течь от источника к пункту назначения. Это похоже на разрезание водопроводной трубы на две части и закрытие ее концов в месте разрыва: вода не может течь, если нет выхода из трубы. С точки зрения электричества, у нас было состояние электрической непрерывности, когда провод был целым, а теперь эта непрерывность нарушаена из-за того, что провод разрезан и разделен.

Если бы мы возьмем другой кусок провода, ведущего к пункту назначения, и просто создадим физический контакт с проводом, ведущим к источнику, у нас снова будет непрерывный путь для движения электронов. Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл-металл) между кусочками проводов:

Рисунок 5 – Соединение металла с металлом

Теперь у нас снова есть непрерывность от источника до нового созданного соединения, вниз, вправо и вверх до пункта назначения. Это аналогично установке тройника в одну из закрытых труб и направлению воды через новый отрезок трубы к месту назначения. Обратите внимание на то, что через нарушенный отрезок провода с правой стороны не проходят электроны, потому что он больше не является частью полного пути от источника к пункту назначения.

Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиваются из-за продолжительных потоков. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать в проводнике тепло. Эту тему мы рассмотрим более подробно позже.

Резюме

  • В проводящих материалах внешние электроны в каждом атоме могут легко приходить или уходить и называются свободными электронами.
  • В диэлектрических (изолирующих) материалах внешние электроны перемещаются не так свободно.
  • Все металлы проводят электрический ток.
  • Динамическое электричество, или электрический ток, – это равномерное движение электронов по проводнику.
  • Статическое электричество – это неподвижный (если он находится на диэлектрике), накопленный заряд, образованный избытком или недостатком электронов в объекте. Обычно он образуется путем разделения заряда путем контакта и разделения разнородных материалов.
  • Чтобы электроны могли непрерывно (бесконечно) течь через проводник, должен существовать полный, непрерывный путь, по которому они могут двигаться как внутрь, так и из этого проводника.

Оригинал статьи:

Теги

ДиэлектрикОбучениеПроводникЭлектрический токЭлектричествоЭлектрон

Сохранить или поделиться

Проводники и диэлектрики. Виды проводников

  

Наименьшим отрицательным зарядом обладает электрон.

 

Для справки: заряд электрона равен e0 = -1,6021766208*10-19 Кулон

 

Электрон (если он слабо связан с ядром атома) может покинуть атом, перейти в междуатомное пространство, попасть в пределы другого атома и т. д. Это явление наиболее характерно для металлов. В металлах всегда имеется огромное количество беспорядочно движущихся в междуатомном пространстве электронов, называемых свободными (рисунок 1).

Рисунок 1. Хаотическое движение электронов в металле.

 

Если каким-либо способом упорядочить движение свободных электронов, то есть заставить их двигаться в одном определенном направлении, то мы и получим в металле электрический ток (рисунок 2).

Рисунок 2. Возникновение тока в проводнике.

 

Определение: Тела, обладающие свободными электронами, называются проводниками первого рода.

 

В проводниках первого рода прохождение электрического тока не вызывает химических изменений их вещества. К проводникам первого рода относятся металлы и их сплавы. Проводники первого рода нашли самое широкое применение в электротехнике и радиотехнике. Провода, шины, пластины конденсаторов, нити ламп накаливания и другие токопроводящие детали — все это делается из проводников первого рода.

 

Определение: К проводникам второго рода относятся растворы кислот, щелочей и солей.

 

Проводники второго рода часто называют электролитами. В электролите происходит непрерывный процесс образования отрицательно и положительно заряженных молекул (ионов). Электрический ток в электролите представляет собой упорядоченное движение этих ионов (а не электронов, как это было в проводниках первого рода).

Рисунок 3. Ток в проводниках второго рода (электролитах).

 

Наконец, имеется большая группа веществ, которая не имеет ни свободных электронов, ни ионов. В таких веществах при обычных условиях электрический ток проходить не может, и называются они диэлектриками (фарфор, резина, слюда, стекло и т. п.).

 

Определение: К диэлектрикам относятся вещества, не имеющие свободных электронов.

 

Диэлектрики широко используются в современной электротехнике в качестве изоляторов (фарфоровые изоляторы на линиях электропередачи, резиновые покрытия проводов, слюдяные прокладки и т. д.).

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

примеров, приложений и их отличий

Мы знаем, что различать элементы вокруг нас можно на основе их физических свойств, таких как фаза, гибкость, цвет, текстура, растворимость, полярность и т. Д. Но классификация элементов может быть выполнена на основе их проводимости электрического заряда, например проводников. и изоляторы. Например, если мы проведем простой эксперимент с маленьким светодиодом и батареей, соединив их хлопковой нитью или пластиком, то лампочка не мигает.Если мы повторим тот же эксперимент с металлической проволокой из меди, то лампочка начнет светиться. Если мы это замечаем, некоторые элементы не позволяют течь через себя энергии. В этой статье обсуждается обзор того, что такое проводники и изоляторы.


Что такое проводники и изоляторы?

Определение: Проводники — это один из типов материалов, в остальном — вещества. Основная функция этого материала — пропускать через них ток. Они способны проводить электричество, поскольку они очень просто позволяют электронам течь внутри себя.Свойство проводников — обеспечивать преобразование света или тепла от одного источника к другому. Лучшими примерами этого являются металлы, животные, земля, люди и т. Д. По этой причине возможно поражение электрическим током.

Всякий раз, когда к объекту подается электрический заряд, он распространяется по всей поверхности объекта, что влияет на движение электронов внутри объекта.

проводники

Определение: Изоляторы — это один из видов материалов, в остальном вещества.Основная функция этого материала — противодействовать прохождению через них электрического тока и тепла. Обычно они твердые по своей природе и используются во множестве систем. Таким образом, изоляторы отличаются от проводников благодаря своему сопротивлению. Хорошими примерами изоляторов являются ткань, дерево, стекло, кварц, слюда и т. Д. Они используются в качестве защитных устройств, поскольку обеспечивают защиту от звука, электричества и тепла.

Типы проводов и изоляторов доступны в зависимости от их функций и свойств.Изоляторы подразделяются на четыре типа: штыревой, подвесной, деформационный и изолятор со скобой. Наиболее часто используемые типы проводников — это твердотянутый алюминий, твердотянутый медный провод и алюминий с сердечником из стали.

стеклянные изоляторы

Проводники и изоляторы Примеры

Примеры проводов и изоляторов включают следующее.

Большинство металлов, таких как алюминий, золото, серебро, медь и железо, являются хорошими проводниками. Потому что поток электронов будет идти от одного атома к другому.

Например, лучшим примером хорошего проводника является медь, потому что она позволяет легко перемещаться электронам. С другой стороны, алюминий также является хорошим проводником, но по сравнению с медью он меньше. Он невесом, поэтому часто используется в кабелях питания. Возьмем, к примеру, поток электронов в лампочке. Как только вы включаете свет, по проводу подается электрическая энергия, заставляя лампочку включаться и излучать свет.

Наиболее распространенными проводниками являются металлы, а другими проводниками являются полупроводники, плазма, электролиты, а также неметаллические проводники, такие как графит и проводящие полимеры.Серебро также является лучшим проводником, но его нельзя использовать на практике из-за его высокой стоимости. Но он используется в специфическом оборудовании спутников.

Лучшими примерами изоляторов являются резина, стекло, чистая вода, масло, воздух, алмаз, сухое дерево, сухой хлопок, пластик, асфальт и т. Д. Еще несколько изоляторов — это стекловолокно, фарфор, керамика, сухая бумага и кварц.


Приложения

К проводникам относятся следующие.

  • Проводники в основном используются в реальных приложениях
  • Ртуть в термометре используется для измерения температуры человеческого тела.
  • Алюминиевая фольга используется для хранения продуктов, а также для изготовления сковородок.
  • Железо используется в автомобильном двигателе для отвода тепла.
  • Железная пластина изготовлена ​​из стали и используется для быстрого поглощения тепла.
  • Проводники используются в автомобильных радиаторах для отвода тепла от двигателя автомобиля.

В изоляторов входят следующие.

  • Теплоизоляторы не позволяют теплу перемещаться из одного положения в другое.Они используются для изготовления бутылок из термопласта, стен и противопожарных потолков.
  • Electrical Insulators останавливает прохождение электрического тока через них. Они используются в высоковольтных системах, печатных платах, а также в покрытии электрических проводов и кабелей.
  • Звукоизоляторы
  • помогают контролировать уровень шума, поскольку они обладают прекрасным звукопоглощением. Таким образом, мы используем их в конференц-залах и зданиях, чтобы построить их бесшумные

Разница между проводниками и изоляторами

Различия между проводниками и изоляторами заключаются в следующем.

Проводники

Изоляторы

Проводник позволяет току проходить через него.

Изоляторы не пропускают через них ток.

Электрический заряд будет присутствовать снаружи проводников

Электрические заряды не содержат изолятор.

Когда проводник находится в магнитном поле, он не накапливает энергию.

Когда изолятор находится в магнитном поле, он накапливает энергию.

Тепловой запас в проводнике чрезвычайно высок

Запас тепла в изоляторе чрезвычайно низок

Сопротивление проводника очень низкое

Сопротивление изолятора очень высокое

Некоторые примеры проводников: медь, ртуть и алюминий Примеры изоляторов: дерево, бумага и керамика.

Из них делают электрооборудование.

Они используются в изоляционном электрическом устройстве в целях безопасности.

Часто задаваемые вопросы

1). Какой из них самый токопроводящий; медь, железо, кремний и серебро?

Серебро

2). Почему металлы наиболее предпочтительны для изготовления электрических проводов?

Как хорошие проводники

3). Какой материал имеет нулевое сопротивление?

Сверхпроводник

4).Что такое полупроводник?

Электропроводность материала падает между проводником и изолятором, например Si и Ge.

5). На удельное сопротивление проводника может влиять?

Температура и материал, из которого изготовлен проводник.

Таким образом, проводники и изоляторы практически противоположны по функциональности и свойствам. Основное различие между ними заключается в том, что проводники позволяют течь через них, а изоляторы контролируют поток энергии.Проводники имеют высокую проводимость, тогда как изоляторы обладают низкой проводимостью. Вот вопрос или вы, какова энергетическая зона в проводниках и изоляторах?

Проводники и изоляторы | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определите проводник и изолятор, объясните разницу и приведите примеры каждого из них.
  • Опишите три метода зарядки объекта.
  • Объясните, что происходит с электрической силой, когда вы удаляетесь от источника.
  • Определите поляризацию.

Рис. 1. В этом адаптере питания используются металлические провода и разъемы для передачи электричества от настенной розетки к портативному компьютеру. Проводящие провода позволяют электронам свободно перемещаться по кабелям, которые защищены резиной и пластиком. Эти материалы действуют как изоляторы, не позволяющие электрическому заряду выходить наружу. (Источник: Эван-Амос, Wikimedia Commons)

Некоторые вещества, такие как металлы и соленая вода, позволяют зарядам относительно легко проходить через них.Некоторые электроны в металлах и подобных проводниках не связаны с отдельными атомами или участками в материале. Эти свободных электронов могут перемещаться через материал так же, как воздух движется через рыхлый песок. Любое вещество, которое имеет свободные электроны и позволяет заряду относительно свободно перемещаться по нему, называется проводником . Движущиеся электроны могут сталкиваться с неподвижными атомами и молекулами, теряя некоторую энергию, но они могут двигаться в проводнике. Сверхпроводники позволяют заряду перемещаться без потери энергии.Соленая вода и другие подобные проводящие материалы содержат свободные ионы, которые могут перемещаться через них. Ион — это атом или молекула с положительным или отрицательным (отличным от нуля) полным зарядом. Другими словами, общее количество электронов не равно общему количеству протонов.

Другие вещества, например стекло, не позволяют зарядам проходить через них. Это изоляторы . Электроны и ионы в изоляторах связаны в структуре и не могут легко перемещаться — в 10 23 раз медленнее, чем в проводниках.Например, чистая вода и сухая поваренная соль являются изоляторами, а расплавленная соль и соленая вода — проводниками.

Зарядка по контакту

На рис. 2 показан электроскоп, который заряжается при прикосновении к нему положительно заряженным стеклянным стержнем. Поскольку стеклянный стержень является изолятором, он должен фактически касаться электроскопа, чтобы передавать заряд на него или от него. (Обратите внимание, что дополнительные положительные заряды остаются на поверхности стеклянного стержня в результате протирания его шелком перед началом эксперимента.) Поскольку в металлах движутся только электроны, мы видим, что они притягиваются к верхней части электроскопа. Там некоторые из них переносятся на положительный стержень на ощупь, оставляя электроскоп с чистым положительным зарядом.

Рис. 2. Электроскоп — излюбленный инструмент на демонстрациях физики и в студенческих лабораториях. Обычно он изготавливается из листьев золотой фольги, подвешенных к (проводящему) металлическому стержню, и изолирован от воздуха в помещении в контейнере со стеклянными стенками. (а) Положительно заряженный стеклянный стержень подносят к кончику электроскопа, притягивая электроны к вершине и оставляя чистый положительный заряд на листьях.Словно заряды в легких гибких золотых листах отталкиваются, разделяя их. (b) Когда стержень касается шара, электроны притягиваются и переносятся, уменьшая общий заряд стеклянного стержня, но оставляя электроскоп заряженным положительно. (c) Избыточные заряды равномерно распределяются в стержне и листьях электроскопа после удаления стеклянного стержня.

Электростатическое отталкивание в листах заряженного электроскопа разделяет их. Электростатическая сила имеет горизонтальную составляющую, которая приводит к раздвижению листьев, а также вертикальную составляющую, которая уравновешивается гравитационной силой.Точно так же электроскоп может получить отрицательный заряд при контакте с отрицательно заряженным объектом.

Индукционная зарядка

Необязательно переносить излишек заряда непосредственно на объект для его начисления. На фиг.3 показан способ индукции , в котором заряд создается в соседнем объекте без прямого контакта. Здесь мы видим две нейтральные металлические сферы, контактирующие друг с другом, но изолированные от остального мира. Положительно заряженный стержень приближается к одному из них, притягивая отрицательный заряд к этой стороне, оставляя другую сферу заряженной положительно.

Это пример наведенной поляризации нейтральных объектов. Поляризация — это разделение зарядов в объекте, который остается нейтральным. Если сферы теперь разделены (до того, как стержень вытащен), каждая сфера будет иметь чистый заряд. Обратите внимание, что объект, ближайший к заряженному стержню, получает противоположный заряд при индукционной зарядке. Также обратите внимание, что заряд не удаляется с заряженного стержня, так что этот процесс можно повторить без истощения запаса избыточного заряда.

Рисунок 3. Зарядка индукционным способом. (а) Две незаряженные или нейтральные металлические сферы контактируют друг с другом, но изолированы от остального мира. (b) Положительно заряженный стеклянный стержень приближается к сфере слева, притягивая отрицательный заряд и оставляя другую сферу заряженной положительно. (c) Сферы разделяются перед удалением стержня, таким образом разделяя отрицательный и положительный заряд. (d) Сферы сохраняют чистые заряды после удаления индукционного стержня — даже при отсутствии прикосновения к заряженному объекту.

Другой метод индукционной зарядки показан на рисунке 4. Нейтральная металлическая сфера поляризуется, когда заряженный стержень приближается к ней. Затем сфера заземляется, что означает, что от сферы к земле проложен проводящий провод. Поскольку земля большая и большая часть земли является хорошим проводником, она может легко подавать или принимать избыточный заряд. В этом случае электроны притягиваются к сфере через провод, называемый заземляющим проводом, потому что он обеспечивает проводящий путь к земле.Заземление разрывается перед удалением заряженного стержня, в результате чего в сфере остается избыточный заряд, противоположный заряду стержня. Опять же, при индукционной зарядке достигается противоположный заряд, и заряженный стержень не теряет своего избыточного заряда.

Рисунок 4. Индукционная зарядка с заземлением. (а) Положительно заряженный стержень приближается к нейтральной металлической сфере, поляризуя ее. (б) Сфера заземлена, что позволяет электронам притягиваться из достаточного количества источников земли.(c) Разрыв заземления. (d) Положительный стержень удаляется, оставляя сферу с индуцированным отрицательным зарядом.

Нейтральные объекты могут быть привлечены к любому заряженному объекту. Кусочки соломы, притянутые к полированному янтарю, например, нейтральны. Если провести по волосам пластиковой расческой, заряженная расческа соберет нейтральные кусочки бумаги. На рисунке 5 показано, как поляризация атомов и молекул в нейтральных объектах приводит к их притяжению к заряженному объекту.

Рисунок 5.И положительные, и отрицательные объекты притягивают нейтральный объект, поляризуя его молекулы. (а) Положительный объект, поднесенный к нейтральному изолятору, поляризует его молекулы. Наблюдается небольшой сдвиг в распределении электронов, вращающихся вокруг молекулы: разнородные заряды приближаются, а одинаковые — удаляются. Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, возникает чистое притяжение. (б) Отрицательный объект производит противоположную поляризацию, но снова притягивает нейтральный объект.c) такой же эффект наблюдается и с проводником; поскольку разноименные заряды ближе, возникает чистое притяжение.

Когда заряженный стержень приближается к нейтральному веществу, в данном случае изолятору, распределение заряда в атомах и молекулах немного смещается. Противоположный заряд притягивается к внешнему заряженному стержню, в то время как аналогичный заряд отталкивается. Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, отталкивание одинаковых зарядов слабее, чем притяжение разнородных зарядов, и поэтому возникает чистое притяжение.Таким образом, положительно заряженный стеклянный стержень притягивает нейтральные кусочки бумаги, как и отрицательно заряженный резиновый стержень. Некоторые молекулы, например вода, являются полярными молекулами. Полярные молекулы обладают естественным или внутренним разделением зарядов, хотя в целом они нейтральны. На полярные молекулы особенно влияют другие заряженные объекты, и они демонстрируют больший эффект поляризации, чем молекулы с естественным однородным распределением заряда.

Проверьте свое понимание

Можете ли вы объяснить притяжение воды к заряженному стержню на рисунке 6?

Рисунок 6.

Решение

Молекулы воды поляризованы, что дает им слегка положительные и слегка отрицательные стороны. Это делает воду еще более восприимчивой к притяжению заряженного стержня. Когда вода течет вниз, из-за силы тяжести заряженный проводник оказывает чистое притяжение к противоположным зарядам в потоке воды, притягивая его ближе.

Исследования PhET: Джон Траволтаж

Заставьте искры летать вместе с Джоном Травольтэджем. Шевелите ногой Джонни, и он поднимает заряд с ковра.Поднесите руку к дверной ручке и избавьтесь от лишнего заряда.

Щелкните, чтобы запустить моделирование.

Сводка раздела

  • Поляризация — это разделение положительных и отрицательных зарядов в нейтральном объекте.
  • Проводник — это вещество, которое позволяет заряду свободно проходить через его атомную структуру.
  • Изолятор удерживает заряд в своей атомной структуре.
  • Объекты с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а объекты с разными зарядами притягиваются друг к другу.
  • Проводящий объект называется заземленным, если он соединен с землей посредством проводника. Заземление позволяет передавать заряд в большой резервуар земли и из него.
  • Объекты можно заряжать при контакте с другим заряженным объектом и получать такой же заряд знака.
  • Если объект временно заземлен, он может заряжаться индукцией и приобретает заряд противоположного знака.
  • У поляризованных объектов положительный и отрицательный заряды сосредоточены в разных областях, что придает им несимметричный заряд.
  • Полярным молекулам присуще разделение зарядов.

Концептуальные вопросы

  1. Эксцентричный изобретатель пытается левитировать, сначала помещая на себя большой отрицательный заряд, а затем помещая большой положительный заряд на потолок своей мастерской. Вместо этого, при попытке наложить на себя большой отрицательный заряд, его одежда разлетелась. Объяснять.
  2. Если вы зарядили электроскоп от контакта с положительно заряженным объектом, опишите, как вы могли бы использовать его для определения заряда других объектов.В частности, что будут делать створки электроскопа, если к его ручке поднести другие заряженные объекты?
  3. Когда стеклянный стержень натирают шелком, он становится положительным, а шелк — отрицательным, но при этом оба притягивают пыль. Есть ли у пыли третий тип заряда, который притягивается как к положительному, так и к отрицательному? Объяснять.
  4. Почему автомобиль всегда притягивает пыль сразу после полировки? (Обратите внимание, автомобильный воск и автомобильные шины являются изоляторами.)
  5. Опишите, как положительно заряженный объект можно использовать для придания другому объекту отрицательного заряда.Как называется этот процесс?
  6. Что такое заземление? Как это действует на заряженный проводник? На заряженном изоляторе?

Задачи и упражнения

  1. Предположим, пылинка в электростатическом фильтре содержит 1,0000 × 10 12 протонов и имеет чистый заряд –5,00 нКл (очень большой заряд для маленькой пылинки). Сколько в нем электронов?
  2. У амебы 1,00 × 10 16 протонов и чистый заряд 0.300 пКл. а) На сколько электронов меньше, чем протонов? б) Если объединить их в пары, какая часть протонов не будет иметь электронов?
  3. Шар меди весом 50,0 г имеет чистый заряд 2,00 мк Кл. Какая часть электронов меди была удалена? (У каждого атома меди 29 протонов, а атомная масса меди 63,5.)
  4. Какой чистый заряд вы поместите на 100-граммовый кусок серы, если поместите дополнительный электрон на 1 из 10 12 его атомов? (Сера имеет атомную массу 32.1.)
  5. Сколько кулонов положительного заряда содержится в 4,00 кг плутония, учитывая его атомную массу 244 и каждый атом плутония имеет 94 протона?

Глоссарий

свободный электрон: электрон, который может свободно уходить со своей атомной орбиты

проводник: материал, который позволяет электронам двигаться отдельно от их атомных орбит

.

изолятор: материал, который надежно удерживает электроны на их атомных орбитах

с заземлением: , когда проводник подключен к Земле, что позволяет заряду свободно течь в и из неограниченного резервуара Земли

индукция: процесс, при котором электрически заряженный объект, поднесенный к нейтральному объекту, создает заряд в этом объекте.

поляризация: небольшое смещение положительных и отрицательных зарядов на противоположные стороны атома или молекулы

электростатическое отталкивание: Явление двух объектов с одинаковыми зарядами, отталкивающих друг друга

Избранные решения проблем и упражнения

1.1,03 × 10 12

3. 9.09 × 10 −13

5. 1,48 × 10 8 С

Что такое проводники и изоляторы? | Различия, характеристики и примеры проводников и изоляторов — видео и стенограмма урока

Испытание изоляторов и проводников

В этом эксперименте ученики будут устанавливать небольшую схему и включать различные материалы для проверки проводимости. Для завершения этого эксперимента вам понадобятся одна батарея на 9 В и патрон, небольшая лампочка и патрон, а также три куска изолированного провода.Вам также понадобятся различные материалы для тестирования, такие как проводники или изоляторы, такие как скрепки, дерево, пластик или другие типы металла. Попробуйте протестировать различные объекты, которые вы найдете вокруг себя, и убедитесь, что вы тестируете объекты из разных материалов.

Инструкции для учащихся

В этом эксперименте вы создадите схему для проверки проводящих свойств различных материалов. Схема будет состоять из батареи, лампочки, проводов и материалов, которые вы тестируете.Если цепь замкнута, то есть электроны могут проходить через материал, лампочка может загореться, и вы узнаете, что материал был проводником. Следуйте приведенным ниже инструкциям, чтобы настроить схему и проверить материалы. Для начала вам следует использовать скрепки, медную проволоку и карандаш, а затем выбрать два дополнительных материала для тестирования.

  1. Начните с подключения одной стороны батареи к лампочке с помощью изолированного медного провода.
  2. Затем добавьте еще один провод к другой стороне батареи, но пока не подключайте его ни к чему.
  3. Добавьте еще один провод к другой стороне лампочки, но пока не подключайте его ни к чему.
  4. Используйте два свободных конца проводов и подключите их к материалам, которые вы тестируете, чтобы замкнуть цепь. Запишите свои результаты в таблицу ниже, если материал позволяет лампочке загораться.
Материал Результаты (лампочка горит или выключена?
Скрепки
Медный провод
Карандаш


900 Вопросы
  1. Какие материалы были проводниками, а какие — изоляторами и как вы узнали?
  2. Какие материалы были лучшими проводниками и почему?
  3. Почему важно понимать использование проводов и изоляторов?

Ожидаемые результаты

Студенты должны видеть, что металлы являются хорошими проводниками и могут замкнуть цепь, позволяя лампочке загораться, потому что у них есть свободные электроны в металлических связях, которые могут свободно перемещаться.Если этого не произошло, проверьте лампочку с одним аккумулятором в цепи и убедитесь, что она горит. Вам может понадобиться новая батарея, новая лампочка или и то, и другое. Дерево и пластик действуют как изоляторы и не замыкают цепь.

Изоляторы и проводники: примеры, определения и качества — Видео и стенограмма урока

Проводники и изоляторы

Раньше, если чей-то дом загорался, добровольцы бросались на место происшествия и формировали бригаду ведер, чтобы тушить пламя.Если задуматься, можно сказать, что бригада ведер «проводила» воду от источника к огню. Но что, если добровольцы перестанут проходить воду?

Что ж, мы знаем одно: дом сгорит дотла, потому что он был эффективно «изолирован» от воды! Сценарий бригады ковша на самом деле очень похож на то, почему некоторые материалы действуют как электрические проводники, а другие действуют как электрические изоляторы. Но чтобы найти действующих лиц в нашей электрической «бригаде ведер», мы должны начать с атомарного уровня.

Не все атомы созданы равными. Некоторые атомы не очень крепко держатся за свои внешние электроны. Они известны как свободных электронов , потому что они буквально могут свободно перемещаться от атома к атому. Свободные электроны — это члены нашей бригады электрических ведер, которые передают электрическую энергию от одного электрона к другому.

Свободные электроны могут свободно перемещаться от атома к атому.

Материал с большим количеством свободных электронов позволяет легко передавать электрическую энергию и поэтому называется проводником .Если мы отправим энергичный электрон в проводник, он столкнется со свободным электроном, сбивая его по линии, пока он не столкнется с другим свободным электроном. Это вызывает цепную реакцию ударов, которая проводит электрическую энергию через материал.

Это можно представить как группу шаров, разложенных на бильярдном столе. Наш энергичный электрон подобен битку, который попадает в группу и сталкивается с одним шаром, который, в свою очередь, попадает в другой шар и так далее по линии.Прежде чем вы это узнаете, энергия битка уже «прошла» на другой конец стола. Единственная реальная разница между бильярдными шарами и электронами заключается в том, что электроны проводят электрическую энергию почти со скоростью света!

Изоляторы имеют очень мало свободных электронов и плохо передают электрическую энергию.

На другом конце спектра находятся атомы, которые очень крепко держатся за свои электроны.Материал, который содержит эти типы атомов, имеет очень мало свободных электронов, если они вообще есть, и плохо передает электрическую энергию, если вообще не передает. Этот тип материала называется изолятором .

Если мы отправим энергичный электрон в изолятор, он эффективно отскочит от атомов, не в состоянии передать свою энергию прочно связанным электронам. Он будет продолжать подпрыгивать, пока либо не освободит другой электрон, либо пока у него просто не закончится энергия!

Возвращаясь к нашей аналогии с бильярдным столом, это очень похоже на биток, просто отскакивающий от стенок стола.Либо он ударится по другому мячу и передаст свою энергию, либо просто перестанет катиться из-за трения.

Разница между проводниками и изоляторами

В физике и любых других связанных с электричеством теориях различие между проводниками и изоляторами играет очень важную роль. Проводники — это материалы, которые пропускают электрический ток, а иногда и тепло. Следовательно, он становится электропроводящим по своей природе. Изоляторы — это материалы, не пропускающие через них тепло или электричество.Давайте подробно рассмотрим проводники и изоляторы в этой статье.

Что такое проводники?

Проводник — это материал, который позволяет электрическому току или теплу проходить через него. Электроны в проводнике свободно перемещаются от атома к атому, когда к ним прикладывается разность потенциалов. Проводимость проводника зависит от количества свободных электронов во внешней оболочке орбиты. Проводимость материала прямо пропорциональна количеству свободных электронов.

Проводимость материала прямо пропорциональна количеству свободных электронов. Валентная зона и зона проводимости проводника накладываются друг на друга, и, следовательно, запрещенной запрещенной зоны нет. Сопротивление проводника очень низкое, из-за чего заряды свободно перемещаются с места на место при приложении к ним напряжения.

проводников

Примеры кондуктора

Медь, алюминий, серебро, ртуть и т. Д.Вот некоторые из примеров дирижера. Серебро считается наиболее проводящим материалом. Но стоимость серебра очень высока, поэтому оно не используется для изготовления электрических проводов и кабелей.

Свойства проводников

У проводников так много свойств. Однако в состоянии равновесия электрический проводник проявляет следующие свойства.

  1. Они обладают низким сопротивлением и высокой проводимостью.
  2. Электрическое поле внутри проводников и изоляторов равно нулю.
  3. Ковалентные связи слабые, поэтому легко разрушаются.
  4. Удельное сопротивление проводников может варьироваться от низкого до высокого.
  5. Температурный коэффициент сопротивления проводника всегда положительный.
  6. Плотность заряда внутри проводника всегда равна нулю.

Что такое изоляторы?

Изоляторы — это материалы или вещества, которые сопротивляются или не позволяют току проходить через них. В целом они твердые по своей природе. Поскольку они не пропускают поток тепла.Свойство, которое отличает изоляторы от проводников, — это их удельное сопротивление. Дерево, ткань, стекло, слюда и кварц являются хорошими примерами изоляторов. Также изоляторы являются протекторами. Они обеспечивают защиту от тепла, звука и электричества. Кроме того, в изоляторах нет свободных электронов. Это основная причина, по которой они не проводят электричество.

Теплоизоляторы, предотвращающие перемещение тепла из одного места в другое. Следовательно, мы используем их при изготовлении бутылок из термопласта. Они также используются при противопожарной защите потолков и стен.Звукоизоляторы помогают контролировать уровень шума, так как они хорошо поглощают звук. Таким образом, мы используем их в зданиях и конференц-залах, чтобы сделать их бесшумными. Электрические изоляторы препятствуют прохождению электронов или тока через них. Поэтому мы широко используем их в печатных платах и ​​высоковольтных системах. Они также используются для покрытия электрических проводов и кабелей.

Изоляторы

Примеры изоляторов

Дерево, ткань, стекло, слюда и кварц являются хорошими примерами изоляторов.Стекло — лучший изолятор, так как оно обладает самым высоким удельным сопротивлением. Пластик — хороший изолятор. Резина — распространенный материал, используемый для изготовления шин, огнестойкой одежды и тапочек.

Свойства изоляторов

У изоляторов так много свойств. Однако в состоянии равновесия изоляционный материал проявляет следующие свойства.

  1. Обладают высоким сопротивлением и низкой проводимостью.
  2. Электрическое поле внутри проводников и изоляторов равно нулю.
  3. Ковалентные связи прочные, поэтому их сложно разорвать.
  4. Они обладают высоким удельным сопротивлением.
  5. Температурный коэффициент сопротивления изолятора отрицательный.
  6. При напряжении пробоя изолятор может стать проводником.

Разница между проводниками и изоляторами

Проводник Изолятор
Любой материал, пропускающий через него электрический ток или тепло. Любой материал, ограничивающий прохождение электрического тока или тепла через него.
Он существует на поверхности, но остается нулевым внутри проводника. Не существует на изоляторе.
Накапливает энергию Не накапливает энергию
Обладает высокой теплопроводностью Обладает низкой теплопроводностью
Оставайтесь такими же во всех точках проводника. Остаться равным нулю.
Очень высокий Низкий
Имеет очень низкое сопротивление Обладает высоким сопротивлением
Имеется свободный поток электронов Электроны здесь не двигаются свободно
Слабая Сильный
Положительный температурный коэффициент сопротивления Отрицательный температурный коэффициент сопротивления
От высокого к низкому Постоянно высокий
Полный электронов Остаться пустым
Остается пустым Полный электронов
Запрещенного зазора нет Большой запрещенный зазор
Для изготовления проводов электрических и кабельных, жила В качестве изоляции используется в электрических кабелях или проводниках, в качестве защитного экрана для опорного электрического оборудования и т. Д.
Утюги, алюминий, серебро, медь и др. Резина, дерево, бумага и т. Д.

Заключение

Разница между проводниками и изоляторами объяснена четко. Действительно ли они играют жизненно важную роль, решать вам… вы даже можете проверить разницу между кондуктивным и излучением, разницей между переменным током (AC) и постоянным током (DC)

249000cookie-checkРазница между проводниками и изоляторамиno

2.6 Электрические проводники, полупроводники и изоляторы | Классификация вещества

2.6 Электрические проводники, полупроводники и изоляторы (ESAAH)

Электрический провод

Электрический проводник — это вещество, которое позволяет электрическому току проходить через него.

Электрические проводники обычно изготавливаются из металлов. Медь — один из лучших проводников электричества, а это почему из него делают токопроводящую проволоку.На самом деле, серебро имеет даже более высокую электрическую проводимость больше, чем у меди, но серебро слишком дорогое в использовании.

В воздушных линиях электропередач, которые мы видим над собой, используется алюминий . Алюминий обычно окружает стальной сердечник, который добавляет, делает его более прочным, поэтому он не ломается при растяжении на расстояние. Иногда золото используется для изготовления проволоки, потому что оно очень устойчиво к поверхностной коррозии. Коррозия — это когда материал начинает ухудшаться из-за его реакции с кислородом и водой в воздухе.

Линии электропередач

Изоляторы

Изолятор — это непроводящий материал, который не несет заряда.

Примеры изоляторов: пластик и дерево. Полупроводники ведут себя как изоляторы, когда они холодны и подобны проводникам, когда они горячие. Элементы кремний и германий являются примерами полупроводники.

Электропроводность

Цель

Для исследования электропроводности ряда веществ

Аппарат

  • две или три ячейки

  • лампочка

  • зажимы под крокодил

  • провода

  • набор исследуемых веществ (например,грамм. кусок пластика, алюминиевая банка, металлическая точилка для карандашей, магнит, дерево, мел, ткань).

Метод

  1. Установите схему, как показано выше, так, чтобы тестируемое вещество удерживалось между двумя зажимами типа «крокодил». Провода должны быть подключены к ячейкам, а лампочка также должна быть подключена к схема.

  2. Поместите испытуемые вещества по одному между зажимами типа «крокодил» и посмотрите, что произойдет с лампочкой.Если лампочка светится, это означает, что ток течет, и вещество, которое вы тестируете, является токопровод .

Результаты

Запишите свои результаты в таблицу ниже:

Тестовое вещество

Металл / неметалл

Лампочка горит?

Проводник или изолятор

Выводы

В исследуемых веществах металлы были способны проводить электричество, а неметаллы — нет.Металлы — хорошие электрические проводники, а неметаллы — нет.

Проводники и изоляторы (информация + факты)


Электричество — это поток электронов, называемый электрическим током в цепи (путь для электронов). Электрический ток имеет тенденцию следовать по самому легкому пути в цепи. Некоторые материалы хорошо пропускают через себя электрический ток, в то время как другие полностью блокируют ток. Эти материалы называются проводниками и изоляторами.

Проводники

Проводники — это материалы, которые обеспечивают самый легкий путь прохождения электрического тока.Ток легко проходит по проводникам без каких-либо затруднений. Проводники обеспечивают хороший путь для электрического тока, потому что они содержат слабосвязанные (свободные для движения) электроны в своих атомах.

Проводники используются для передачи электрического тока в цепи. Вы, наверное, видели электрические провода, подключенные к электрическому прибору; они сделаны из проводов.

Хорошими проводниками электрического тока являются металлы, потому что они содержат свободный электрон. Но самый проводящий металл — это серебро.Серебро — драгоценный и дорогой металл, поэтому в электрических цепях оно обычно не используется. Вместо этого используется медь, которая дешевле серебра, а также является хорошим проводником.

Хороший проводник Примеры

Серебряный стержень — серебряный проводник имеет очень низкое сопротивление.

Существует большой список проводников, которые могут проводить электричество, но только несколько проводников используются для проведения электрического тока.

Итак, в чем преимущество хорошего проводника?

Хорошие проводники имеют очень низкое сопротивление, поэтому электрический ток может легко перемещаться.Если выбран провод с высоким сопротивлением, он станет горячим при прохождении через него электрического тока. Это приведет к потере большого количества электроэнергии на нагрев проводника, который питал бы некоторые приборы. Таким образом, использование проводов с очень низким сопротивлением позволяет сэкономить электроэнергию.

Существует большой список хороших проводников, которые можно использовать в электрических проводах. Но здесь приведены только самые полезные проводники для электрических проводов.

  • Серебро — Лучше всех кондукторов, но дорого.
  • Медь — Домашняя проводка обычно выполняется из меди.
  • Золото — Имеет низкое сопротивление, но очень дорого. Золото используется для покрытия контактов процессора в компьютерах, чтобы сделать их устойчивыми к коррозии и повысить производительность процессора.
  • Алюминий — Этот проводник в основном используется в длинных линиях электропередачи.
  • Утюг — Он не используется в домашней электропроводке, но нагревательные элементы в электронагревателе имеют процентное содержание железа.

Изоляторы

Изоляционная лента

Изоляторы — это материалы, которые сопротивляются или блокируют прохождение электрического тока через них. Вы также можете назвать их плохими проводниками. Они не обеспечивают хороший путь для электрического тока, потому что не содержат слабосвязанных электронов в своих атомах. Вместо этого их электроны плотно упакованы атомами.

Некоторые материалы, например резина и стекло, обладают очень хорошими изоляционными свойствами. В то время как другие имеют плохие изоляционные свойства, такие как вода, мокрая древесина и т. Д.Люди также являются плохими проводниками и плохими изоляторами. Значит, если напряжение высокое, нас легко ударит током (никогда не прикасайтесь к линиям 110 или 220 В).

Изоляторы в основном используются для изоляции проводов. Так что, если кто-нибудь случайно прикоснется к ним, его не убьет током.

Примеры хороших изоляторов

Каучук — это хороший изолятор электричества и тепла.

Нам нужны хорошие изоляторы для изоляции электрических проводов и теплозащитного экрана приборов, например холодильники.Хорошие изоляторы обеспечивают очень высокое сопротивление электрическому току, поэтому он не может проходить через него.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.