Вещество в электрическом поле — что это, определение и ответ

В зависимости от сопротивления материалы делят на проводники и изоляторы (диэлектрики). У проводников сопротивление материала низкое и они хорошо проводят ток, у изоляторов удельное сопротивление материала высокое и они в обычном состоянии ток пропускают плохо или не пропускают вовсе.

Свойства проводников и диэлектриков отличаются из-за их различного внутреннего строения.

Внутреннее строение металлов представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы атомов, а между ними свободно перемещаются электроны.

Благодаря этому при воздействии внешнего электростатического поля, электроны сразу начинают своё движение.

Внутреннее строение диэлектрика очень похоже на строение металла – кристаллическая решетка с положительно заряженными ионами в узлах. Но все электроны в диэлектрике привязаны к своим ионам, в следствие чего – не могут свободно перемещаться.

К диэлектрикам относятся материалы, у которых нет свободных электронов – стекло, резина, смола и так далее. Поэтому под воздействием внешнего электрического поля заряд в диэлектрике не перемещается и во всех частях диэлектрика остается равным нулю.

Поведение проводника в электрическом поле

Когда на проводник действует внешнее электрическое поле, свободные заряды перераспределяются так, чтобы создать собственное электростатическое поле, которое полностью компенсирует внешнее поле внутри проводника. Заряды располагаются по поверхности проводника, при этом линии электростатического поля, которые они создают, всегда перпендикулярны поверхности проводника. Таким образом, по принципу суперпозиции, внутри проводника и на его поверхности напряженность электрического поля всегда равна нулю.

Потенциал всех точек проводника, находящегося в электрическом поле, всегда одинаков.

Если бы потенциал точек был отличен друг от друга, созданная разность потенциалов заставила бы электроны внутри проводника перемещаться в новое место до тех пор, пока эта разность потенциалов не стала бы равна нулю.

Тело сложной формы из проводящего материала, находящееся в электростатическом поле:

Потенциалвточках1,2и3одинаков \(\varphi_{1} = \varphi_{2} = \varphi_{3}\). Аналогично, если тело находится не во внешнем поле, а ему сообщен некий заряд и сам проводник является источником электростатического поля ― все точки его поверхности эквипотенциальны.

Потенциал и напряженность электрического поля сферического металлического проводника изображен ниже.

Потенциал шара внутри шара и на поверхности шара постоянен и равен φ, вне шара ― потенциал совпадает с потенциалом точечного заряда и убывает с расстоянием от шара.

Напряженность электрического поля Е, созданного шаром, равна нулю внутри шара и на поверхности шара, а вне шара ― такая же, как напряженность поля, создаваемого точечным зарядом и убывает с расстоянием от шара.

Поведение диэлектрика в электрическом поле

При изучении диэлектрика можно столкнуться с явлением поляризации — упорядоченного переориентирования молекул диэлектрика под действием внешнего электрического поля. Получается, что в одном направлении по отношению к силовым линиям поля преобладают положительно заряженные частицы, а в противоположном – отрицательно заряженные. Это вызвано с тем, что атом диэлектрика (электрический диполь) в электрическом поле делится на две части – с повышенной и пониженной концентрацией электронов. Эти заряды, аналогично металлу, создают внутри диэлектрика собственное электрическое поле таким образом, чтобы ослабить внешнее электрическое поле.

Атом диэлектрика вне электрического поля	Атом диэлектрика в электрическом поле

Если проводник поместить в электрическое поле, а затем разрезать на две части окажется, что одна его часть имеет положительный заряд, а другая ― отрицательный из-за того, что электроны в проводнике переместились. Если тот же опыт проделать с диэлектриком, то обе половины диэлектрика останутся не заряженными, но на его гранях будут скапливаться избыточные заряды, одинаковые по модулю и противоположные по знаку. Деление диэлектрика на части не принесет эффекта, поскольку каждый его атом (электрический диполь) имеет суммарный заряд, равный нулю.

Чем отличаются диэлектрики от проводников?

Все вещества состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из положительно заряженных ядер вокруг которых располагаются отрицательные электроны. При определенных условиях электроны способны покидать свое ядро и передвигаться к соседним. Сам атом при этом становится положительно заряженным, а соседний получает отрицательный заряд. Передвижение отрицательных и положительных зарядов под действием электрического поля получило название электрического тока.

В зависимости от свойства материалов проводить электрический ток их делят на:

1. Проводники.
2. Диэлектрики.
3. Полупроводники.

Свойства проводников

Проводники отличаются хорошей электропроводностью. Это связано с наличием у них большого количества свободных электронов не принадлежащих конкретно ни одному из атомов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться.

Большинство проводников имеют малое удельное сопротивление и проводят электрический ток с очень небольшими потерями. В связи с тем, что идеально чистых по химическому составу элементов в природе не существует, любой материал в своем составе содержит примеси. Примеси в проводниках занимают места в кристаллической решетке и, как правило, препятствуют прохождению свободных электронов под действием приложенного напряжения.

Примеси ухудшают свойства проводника. Чем больше примесей, тем сильнее они влияю на параметры проводимости.

Хорошими проводниками с малым удельным сопротивлением являются такие материалы:

• Золото.
• Серебро.
• Медь.
• Алюминий.
• Железо.

Золото и серебро – хорошие проводники, но из-за высокой стоимости применяются там, где необходимо получить хорошие качественные проводники с малым объемом. Это в основном электронные схемы, микросхемы, проводники высокочастотных устройств у которых сам проводник изготовлен из дешевого материала (медь), который сверху покрыт тонким слоем серебра или золота. Это дает возможности  при минимальном расходе драгоценного металла хорошие частотные характеристики проводника.

Медь и алюминий — более дешевые металлы. При незначительном снижении характеристик этих материалов, их цена на порядки ниже, что дает возможность для их массового применения.

Применяют в электронике, в электротехнике. В электронике – это дорожки печатных плат, ножки радиоэлементов, радиаторы и др. В электротехнике очень широко применяется в обмотках двигателей, для прокладки электрических сетей высокого и низкого напряжения, разводку электричества в квартирах, домах, в транспорте.

Параметр проводимости очень сильно зависит от температуры самого материала. При увеличении температуры кристалла, колебания электронов в кристаллической решетке увеличивается, препятствуя свободному прохождению свободных электронов. При снижении – наоборот, сопротивление уменьшается и при некотором значении близком к абсолютному нулю, сопротивление становится нулевым и возникает эффект сверхпроводимости.

Свойства диэлектриков

Диэлектрики в своей кристаллической решетке содержат очень мало свободных электронов, способных переносить заряде под действием электрического поля. В связи с этим при создании разности потенциалов на диэлектрике, ток, проходящий через него такой незначительный, что считается равным нулю — диэлектрик не проводит электрический ток.

Наряду с этим, примеси, содержащиеся в любом диэлектрике, как правило, ухудшают его диэлектрические свойства. Ток, проходящий через диэлектрик под действием приложенного напряжения в основном определяется количеством примесей.

Диэлектрики

Наибольшее распространение диэлектрики получили в электротехнике там, где необходимо защитить обслуживающий персонал от вредного воздействия электрического тока. Это изолирующие ручки разных приборов, устройств измерительной техники. В электронике – прокладки конденсаторов, изоляция проводов, диэлектрические прокладки необходимые для теплоотвода активных элементов, корпуса приборов.

Полупроводники – материалы, которые проводят электричество при определенных условиях, в другом случае ведут себя как диэлектрики.

Таблица: чем отличаются проводники и диэлектрики?

	Проводник	Диэлектрик
Наличие свободных электронов	Присутствуют в большом количестве	Отсутствуют, или присутствуют, но очень мало
Способность материалов проводить электрический ток	Хорошо проводит	Не проводит, или ток незначительно мал
Что происходит при увеличении приложенного напряжение	Ток, проходящий через проводник, увеличивается согласно закону Ома	Ток, проходящий через диэлектрик изменяется незначительно и, при достижения определенного значения, происходит электрический пробой
Материалы	Золото, серебро, медь и ее сплавы, алюминий и сплавы, железо и другие	Эбонит, фторопласт, резина, слюда, различные пластмассы, полиэтилен и другие материалы
Сопротивление	от 10-5 до 10-8 степени Ом/м	1010 – 1016 Ом/м
Влияние посторонних примесей на сопротивление материала	Примеси ухудшают свойство проводимости материала, что ухудшает его свойства	Примеси улучшают проводимость материала, что ухудшает его свойства
Изменение свойств при изменении температуры окружающей среды	При увеличении температуры – сопротивление увеличивается, при снижении – уменьшается. При очень низких температурах – сверхпроводимость.	При увеличении температуры – сопротивление уменьшается.

Типы и свойства диэлектрических материалов для дисплеев

Диэлектрический материал не является проводником электричества, и эти материалы могут быть сильно поляризованы с помощью электрического поля для накопления электрического заряда. Диэлектрический материал рассеивает и накапливает электрический заряд подобно идеальному конденсатору. Существует два типа диэлектрических материалов дисплея: полярные и неполярные. Диэлектрические материалы дисплея используются в дисплеях, таких как OLED, LED, LCD и т. д.

Принси А. Дж  | 04 июня 2020 г.

Материалы классифицируются как изоляторы, проводники и полупроводники на основе их электропроводных свойств. В электрическом поле атомы вещества претерпевают определенные изменения и смещения свойств. Согласно эксперименту, проведенному Эвальдом Георгом фон Клейстом в октябре 1745 года, он показал, что энергию можно хранить. На основе этого эксперимента Питер ван Мусшенбрук изобрел «лейденскую банку», которая считается первым конденсатором. «Диэлектрик» был следующим изобретением, подкрепившим новое свойство материала.

Диэлектрические материалы представляют собой вещества, плохо проводящие электричество, и эти материалы могут быть сильно поляризованы с помощью электрического поля для накопления электрической энергии. Диэлектрические материалы, помещенные в приложенное электрическое поле, могут смещаться из положения равновесия электрического материала из-за отсутствия прохождения электричества к этим материалам. Это смещение называется электрической поляризацией. Согласно обзору дайв-аналитиков Research, диэлектрические материалы обладают постоянным электрическим дипольным моментом, который представляет собой единицу, которая может разделять положительные и отрицательные заряды на небольшое расстояние.

Диэлектрические материалы в основном используются в дисплеях, таких как OLED, LED, LCD и других.

Свойства диэлектрических материалов для дисплеев

Уильям Уэвелл был первым, кто представил миру термин «диэлектрик», который представляет собой объединение двух слов: «диаметр» и «электрический». Для идеального диэлектрического материала электропроводность равна нулю. Диэлектрический материал рассеивает и сохраняет электрический заряд подобно идеальному конденсатору. Основными свойствами диэлектрического материала дисплея являются диэлектрическая поляризация, электрическая восприимчивость, диэлектрическая дисперсия, прочность, диэлектрическая релаксация и т. д.

•    Диэлектрическая поляризация

Электрический дипольный момент является мерой разделения положительного и отрицательного заряда в системе. При воздействии электрического поля связь между электрическим полем (Е) и дипольным моментом (М) приводит к возникновению диэлектрических свойств, и изделия возвращаются в исходное состояние.

Это время, необходимое атому для достижения своего исходного состояния, называется временем релаксации.

•    Электрочувствительность

Электрическая восприимчивость используется для измерения того, насколько легко диэлектрические материалы могут сильно поляризоваться при воздействии электрического поля. По этой величине можно определить электрическую проницаемость этих материалов.

•    Общая поляризация

Два фактора, которые определяют поляризацию диэлектрических материалов:

1. Формирование дипольного момента и,
2. Их направление связано с электрическим полем.

По типу элементарного диполя может быть либо ионная поляризация, либо электронная поляризация. Pe (электронная поляризация) возникает, когда дипольный момент состоит из нейтральных частиц. С другой стороны, электронная поляризация или Pi (ионная поляризация) не зависят от температуры.

•    Пробой диэлектрика

Изолятор начинает вести себя как проводник при приложении более сильных электрических полей. Диэлектрические свойства теряются диэлектрическими материалами в таких условиях, что известно как пробой диэлектрика. Этот процесс необратим, так как приводит к неработоспособности диэлектрических материалов.

Типы диэлектрических материалов

В зависимости от типа молекул, присутствующих в материалах, диэлектрики подразделяются на два типа — полярные и неполярные диэлектрические материалы.

1. Полярные диэлектрические материалы

В этом типе диэлектрических материалов центр масс отрицательных частиц не совпадает с центром масс положительных частиц. Форма молекул несимметрична и дипольный момент здесь присутствует. Молекулы выравниваются при приложении электрического поля. Однако при снятии электрического поля обнаруживается случайный дипольный момент, в результате чего чистый дипольный момент становится равным нулю. Примеры: CO2, h3O и т. д.

2.    Неполярные диэлектрические материалы

В этом типе диэлектрических материалов центры масс отрицательных и положительных частиц совпадают. В этих молекулах отсутствует дипольный момент, и они симметричны по форме. Примерами являются O2, N2, h3 и т. д.

Примеры диэлектрических материалов

Диэлектрическими материалами могут быть вакуум, газы, жидкости и твердые тела. Твердые диэлектрические материалы широко используются в электротехнике. Некоторыми примерами этих материалов являются стекло, керамика, фарфор, бумага и т. д. Примерами газообразных диэлектрических материалов являются оксиды некоторых металлов, азот, сухой воздух и гексафторид серы. Трансформаторное масло, дистиллированная вода являются распространенными примерами жидких диэлектрических материалов.

Об авторе (авторах)

Принси А. Дж.

Принси имеет степень бакалавра в области гражданского строительства, полученную в престижном Тамил Наду доктором М.Г.Р. Университет в Ченнаи, Индия. После успешной академической успеваемости она продолжила свою страсть к писательству. Тщательный профессионал и писатель-энтузиаст, она любит писать о различных категориях и достижениях в мировых отраслях. Она играет важную роль в написании текущих обновлений, новостей, блогов и тенденций.

Какие бывают диэлектрические материалы?

Когда дело доходит до выбора правильного решения по изоляции для электрического применения, важно понимать диэлектрические свойства и свойства используемого материала или материалов.

Диэлектрический материал — это материал, плохо проводящий электричество, но способный поддерживать электростатические поля. Это означает, что если на материал воздействует внешнее электрическое поле, вещество поляризуется. Это позволяет ему накапливать электрический заряд, что делает его плохим проводником, но хорошим носителем информации.

Другим важным свойством диэлектриков является их способность поддерживать электростатическое поле, которое рассеивает минимальную тепловую энергию – чем меньше диэлектрические потери (количество тепла, рассеиваемого при зарядке), тем эффективнее будет материал в качестве диэлектрика. Также важным свойством является диэлектрическая проницаемость, иногда называемая относительной диэлектрической проницаемостью. Это означает отношение количества электрической энергии, хранящейся в материале при приложенном напряжении, к энергии, хранящейся в вакууме.

Желательна более низкая диэлектрическая проницаемость, поскольку вещества с высокой диэлектрической проницаемостью имеют тенденцию к более легкому разрушению при воздействии интенсивных электрических полей, поэтому материалы с низкой и средней электрической проницаемостью обычно используются в высоковольтных устройствах.

Диэлектрические материалы делятся на типы в зависимости от их состояния – твердые, жидкие или газообразные. Каждый тип имеет разные диэлектрические свойства и, в зависимости от его состояния, разные области применения.

 

Твердые диэлектрики

На практике большинство диэлектрических материалов имеют тенденцию быть твердыми. Они используются в качестве изоляции в конденсаторах, высоковольтных трансформаторах и переключателях, воздушных линиях и кабелях. Твердые диэлектрики имеют умеренную диэлектрическую проницаемость. К твердым диэлектрическим материалам относятся:

• Неорганические материалы, такие как керамика и стекло
• Пластиковые пленки (например, каптон)
• Жесткие ламинаты, армированные волокном
• Смолы, лаки и силиконы
• Вулканизированные клейкие ленты
• Слюда
• Текстиль и волокна (например, номекс)
• Эластомеры и резиноподобные материалы (например, ПВХ, MDPE, XLPE)

Каждый тип твердого диэлектрического материала имеет свои физические, электрические и термические свойства, которые делают его пригодным для различных применений. Одни заведомо более гибкие, прочные, впитывают больше или меньше влаги, обладают другими теплоизоляционными свойствами.

 

Жидкие диэлектрики

Одним из наиболее распространенных применений жидких диэлектриков является изоляция и охлаждение трансформаторов, реакторов, конденсаторов и реостатов (переменные резисторы, используемые для регулирования тока). Диэлектрики в жидкой форме используются для предотвращения или замедления электрических разрядов. Основным недостатком многих жидких диэлектриков является то, что они легко воспламеняются. Хотя были испытаны альтернативы минеральному маслу, такие как полихлорированные бифенилы (ПХБ), они очень токсичны и были запрещены в 1970-е годы. Другие жидкие диэлектрики, такие как силиконовые и фторуглеродные масла, очень дороги.

Примеры жидких диэлектрических материалов включают:

• Углеводороды минерального масла
• Силиконовые жидкости
• Синтетические сложные эфиры

 

Газовые диэлектрики

Газовые диэлектрики обычно используются в герметизированных трансформаторах, линиях с элегазовой изоляцией (ГИЛ), распределительных устройствах напряжения, автоматических выключателях и трансформаторах с элегазовой изоляцией (ГИТ). Наиболее распространенный изолирующий газ, гексафторид серы, содержит большое количество фтора, который отлично гасит разряд и обладает хорошими охлаждающими свойствами.