Что накапливает заряд, проводник или диэлектрик? Нефть диэлектрик или проводник


Проводники и диэлектрики в электричестве

электрический ток Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока. 

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу. 

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод. 

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

  • показатель сопротивления;
  • показатель электропроводности.
Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность. 

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.  

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу. 

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы. 

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств. 

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач. 

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц. 

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос). 

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно. 

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы. 

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах. 

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля. 

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника. 

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным. 

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника. 

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы. 

Полупроводниками являются кремний и германий.

Статья по теме: Электрический ток и его скорость

www.elektro.ru

Проектируем электрику вместе: Проводники и диэлектрики. Полупроводники

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества. Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда. Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами. Среди таких проводников лучшим примером является углерод.

Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость. Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R). Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G).

G = 1/ R

То есть, проводимость – это свойство или способность проводника проводить электрический ток. Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость. Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет большую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

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

К диэлектрикам относятся, в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру, все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить, что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого. Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка). Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение. Вольфрам и молибден, напротив,  являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие  и плохие. Связано это с  тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.

Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником. Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.  Полупроводники

Существуют вещества, которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Такие вещества называют полупроводниками. Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.

В отличие от металлических проводников, у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет  с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости - уменьшается.

При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из  рис. 1, стремится к бесконечности.Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик. При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника. 

Рис. 1. Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры

Примерами классических полупроводников являются такие химические элементы, как кремний (Si) и германий (Ge). Более подробно об этих элементах читайте в статье «О проводимости полупроводников».

Статьи по теме: 1. Что такое электрический ток?                            2. Постоянный и переменный ток                             3. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона                            4. Направление электрического тока                            5. О скорости распространения электрического тока                            6. Электрический ток в жидкостях                             7. Проводимость в газах                            8. Электрический ток в вакууме                            9. О проводимости полупроводников 

vgs-design-el.blogspot.ru

Диэлектрики в науке и в быту

Диэлектрики - это вещества, которые не проводят электрический ток, до определенной поры. При определенных условиях проводимость в них зарождается. Этими условиями выступают механические, тепловые - в общем, энергетические виды воздействий. Кроме диэлектриков, вещества также классифицируются на проводники и полупроводники.

Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:

Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.

И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.

В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона - это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.

В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” - запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) - то это диэлектрик, в обратном случае дЭ

В данной статье речь далее пойдет только о диэлектриках. И раз уж мы чуть углубились в науку, то поговорим далее о свойствах и величинах, которые характеризуют эти электротехнические материалы в общем.

Классификация диэлектриков довольна обширная. Тут встречаются жидкие, твердые и газообразные вещества. Далее они делятся по определенным признакам. Ниже приведена условная классификация диэлектриков с примерами в форме списка.

  • газообразные
    • - полярные
    • - неполярные (воздух, элегаз)
  • жидкие
    • - полярные (вода, аммиак)
      • - жидкие кристаллы
    • - неполярные (бензол, трансформаторное масло)
  • твердые
    • - центросимментричные
      • - аморфные
        • - смолы, битумы (эпоксидная смола)
        • - стекла
        • - неупорядоченные полимеры
      • - поликристаллы
        • - нерегулярные кристаллы
        • - керамика
        • - упорядоченные полимеры
        • - ситаллы
      • - монокристаллы
        • - молекулярные
        • - ковалентные
        • - ионные
          • - параэлектрики смещения
          • - параэлектрики „порядок-беспорядок”
        • - дипольные
      • - нецентросимментричные
        • - монокристаллы
          • - пироэлектрики
            • - сегнетоэлектрики смещения
            • - сегнетоэлектрики „порядок-беспорядок”
            • - линейные пироэлектрики
          • - пьезоэлектрики
            • - с водородными связями
            • - ковалентные
            • - ионные
        • - текстуры
          • - электронных дефектов
          • - ионных дефектов
          • - полярных молекул
          • - макродиполей
          • - сегнетоэлектрических доменов
          • - кристаллов в матрице

    Если брать жидкие и газообразные диэлектрики, то основная классификация лежит в вопросе полярности. Разница в симметричности молекул. В полярных молекулы несимметричны, в неполярных - симметричны. Несимметричные молекулы называются диполями. В полярных жидкостях проводимость настолько велика, что их невозможно использовать в качестве изоляционных веществ. Поэтому для этих целей используют неполярные, тоже трансформаторное масло. А наличие полярных примесей даже в сотых долях значительно снижает планку пробоя и негативно сказывается на изоляционных свойствах неполярных диэлектриков.

    кристаллы представляют собой нечто среднее между жидкостью и кристаллом, как следует из названия.

    Еще популярным вопросом о свойствах и применении жидких диэлектриков будет следующий: вода - диэлектрик или проводник? В чистой дистиллированной воде отсутствуют примеси, которые могли бы вызвать протекание тока. Чистую воду можно создать в лабораторных, промышленных условиях. Эти условия сложны и трудновыполнимы для обычного человека. Есть простой способ проверить проводит ли дистиллированная вода ток.

    является ли вода диэлектриком

    Создать электрическую цепь (источник тока - провод - вода - провод - лампочка - другой провод - источник тока), в которой одним из участков для протекания тока будет сосуд с дистиллированной водой. При включении схемы в работу, лампочка не загорится - следовательно ток не проходит. Ну а если загорится, значит вода с примесями.

    Поэтому любая вода, которую мы встречаем: из крана, в озере, в ванной - будет проводником за счет примесей, которые создают возможность для протекания тока. Не купайтесь в грозу, не работайте влажными руками с электричеством. Хотя чистая дистиллированная вода - полярный диэлектрик.

    Для твердых диэлектриков классификация в основном лежит в вопросе активности и пассивности что ли. Если свойства постоянны, то диэлектрик используют в качестве изоляционного материала, то есть он пассивен. Если свойства меняются, в зависимости от внешних воздействий (тепло, давление), то этот диэлектрик применяют для других целей. Бумага является диэлектриком, если вода пропитана водой - то ток проводится и она проводник, если бумага пропитана трансформаторным маслом - то это диэлектрик.

    Фольгой называют тонкую металлическую пластину, металл - как известно является проводником. В продаже имеется например ПВХ-фольга, тут слово фольга для наглядности, а слово ПВХ - для понимания смысла - ведь ПВХ это диэлектрик. Хотя в википедии - фольгой называется тонкий лист металла.

    Аморфные жидкости - это и смола, и стекло, и битум, и воск. При повышении температуры этот диэлектрик тает, это замороженные вещества - это дикие определения, которые характеризуют лишь одну грань правды.

    Поликристаллы - это, как бы сросшиеся кристаллы, объединенные в один кристалл. Например, соль.

    Монокристалл - это цельный кристалл, в отличие от вышеупомянутого поликристалла имеющий непрерывную кристаллическую решетку.

    Пьезоэлектрики - диэлектрики, у которых при механическом воздействии (растяжении-сжатии), возникает процесс ионизации. Применяется в зажигалках, детонаторах, УЗИ-обследовании.

    Пироэлектрики - при изменении температуры в этих диэлектриках происходит самопроизвольная поляризация. Также она происходит при механическом воздействии, то есть пироэлектрики являются еще и пьезоэлектриками, но не наоборот. Примерами служат янтарь и турмалин.

    Физические свойства диэлектриков

    Чтобы оценить качество и степень пригодности диэлектрика, необходимо как-то описать его параметры. Если следить за этими параметрами, то можно вовремя предотвратить аварию, заменив элемент на новый с допустимыми параметрами. Этими параметрами выступают: поляризация, электропроводность, электрическая прочность и диэлектрические потери. Для каждого из этих параметров существует своя формула и постоянная величина, в сравнении с которой производится заключение о степени пригодности материала.

    Главными электрическими свойствами диэлектриков являются поляризация (смещение зарядов) и электропроводность (способность проводить электрический ток) Смещение связанных зарядов диэлектрика или их ориентация в электрическом поле называется поляризацией. Это свойство диэлектрических материалов характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε. При поляризации на поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды.

    В зависимости от типа диэлектрика поляризация может быть: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, спонтанной. Более подробно про их свойства на инфографике ниже.

    инфографика поляризации диэлектриков

    Под электропроводностью понимают способность диэлектрика проводить электрический ток. Ток, протекающий в диэлектрике называется током утечки. Ток утечки состоит из двух составляющих - тока абсорбционного и тока сквозного. Сквозные токи обусловлены наличием свободных зарядов в диэлектрике, абсорбционный ток - поляризационными процессами до момента установления равновесия в системе.

    Величина электропроводности зависит от температуры, влажности и количества свободных носителей заряда.

    При увеличении температуры электропроводность диэлектриков увеличивается, а сопротивление падает.

    Зависимость от влажности вновь возвращает нас к классификации диэлектриков. Ведь, неполярные диэлектрики не смачиваются водой и на изменение влажности им нет дела. А у полярных диэлектриков при увеличении влажности повышается содержание ионов, и электропроводность увеличивается.

    Проводимость диэлектрика состоит из поверхностной и объемной проводимостей. Известно понятие удельной объемной проводимости, обозначается буквой сигма σ. А обратная величина называется удельное объемной сопротивление и обозначается буквой ро ρ.

    Резкое увеличение проводимости в диэлектрике при возрастании напряжения может привести к электрическому пробою. И аналогично, если сопротивление изоляции падает, значит изоляция не справляется со своей задачей и необходимо применять меры. Сопротивление изоляции состоит из поверхностного и объемного сопротивлений.

    Под диэлектрическими потерями в диэлектриках понимают потери тока внутри диэлектрика, которые рассеиваются в виде тепла. Для определения этой величины вводят параметр тангенс дельта tgδ. δ - угол, дополняющий до 90 градусов, угол между током и напряжением в цепи с емкостью.

    Диэлектрические потери бывают: резонансные, ионизационные, на электропроводность, релаксационные. Теперь подробнее поговорим про каждый тип.

    виды диэлектрических потерь

    Электрическая прочность это отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами (или толщина диэлектрика). Эта величина определяется минимальной величиной напряженности электрического поля, при которой произойдет пробой.

    Пробой может быть электрическим (ударная ионизация, фотоионизация), тепловым (большие диэлектрические потери, следовательно много тепла, и обугливание с оплавлением может произойти) и электрохимическим (в результате образования подвижных ионов).

    И в конце таблица диэлектриков, как же без нее.

    электрические характеристики диэлектриков таблица

    В таблице выше приведены данные по электрической прочности, удельному объемному сопротивлению и относительной диэлектрической проницаемостью для различных веществ. Также тангенс угла диэлектрических потерь не обошли стороной.

    pomegerim.ru

    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.

    Проводник

    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

    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.

    vchemraznica.ru

    Что накапливает заряд, проводник или диэлектрик?

    18.08.2016. 17:15

    Как это часто бывает, при постановки научных экспериментов, результаты редко оправдывают цель, но попутно позволяют понять несколько иные и возможно даже более важные вещи.

    Сегодняшний эксперимент изначально поставленный с целью получения миниатюрной шаровой молнии, закончился тем, что под вопрос стала верность теории работы электрического конденсатора.

    Что накапливает заряд, проводник или диэлектрик?

    Постановка эксперимента заключалась в том, что бы пропустить разряды высокого напряжения через воду, тем самым вызвать ударное образование плазмы как это бывает в природе. Один из электродов повышающего трансформатора проходил внутрь бутылки которая была заполнена водой, второй размещался выше от поверхности воды на высоте примерно 40-50 см, и не имел прямого контакта самой бутылкой. Проходящий снизу электрод, который был погружен в воду, с относительной проводимостью тока, фактически имел контакт с внутренней поверхностью бутылки, через воду. После проведения 30-40 секундного пробоя эксперимент был остановлен, для корректировки позиции бутылки и нижнего электрода погруженного в воду.

    По привычке, проверка касанием руки каждого из электродов. Проводник разряжен. Начинаю корректировать позицию бутылки и тут начинается самое интересное. Приняв изначально слабый разряды менее 1 мм длинной, и слабый треск за шелест полиэтиленовой этикетки, я начинаю понимать что снимаю разряды на себя, с диэлектрика. Этого не может быть! Поводив пальцами по поверхности бутылки некоторое время, я собрал с каждого отдельной площади мелко шьющие и почти не чувствительные для меня заряды. А после, невзначай коснувшись металлического стула, на котором крепился нижний прут контакта, получил разряд. Не может быть, надо повторить.

    Решил несколько изменить постановку. Подвесив в воздухе бутылку между электродами, на расстоянии примерно 15 см от каждого, я пропустил несколько разрядов и заметил что разряды просто стекали по стенкам пластика. Проверка рукой. Ничего. Ну все верно, зачем току пробивать диэлектрик когда гораздо легче бежать по ионизированному каналу воздуха, магнитным полем.

    Вернулся к старой постановке, повторил. Все повторилось. Снимая заряды от диэлектрика я после с легкостью их отдавал скажем стулу который имел соприкосновение с контактом погруженным воду. Значит меня бьет/заряжает не проводник, а диэлектрик. Причем с внешней стороны от контакта погруженного в воду.

    Что бы окончательно расставить все по своим местам нужно было провести более чистый эксперимент, непосредственно направленный на подтверждение или опровержение данной трактовки явления.

    Было принято решение создать самый простой, плоский, слоенный конденсатор, из двух пластин фольги и трех пластин диэлектрика. После зарядки которого, пластины с проводником-фольгой были бы заменены на сторонние, не участвовавшие в зарядке. А после обратно обложить пластинами диэлектрика, который был в зарядке и проверить наличие заряда у конденсатора. Для чистоты данного опыта необходимо было быть аккуратным при разборке и сборке заряженного конденсатора - что бы заряд не успел стечь ну или по крайней мере не имел такой возможности.

    Изначально заготовив 4 одинаковых листочка фольги и приклеив к ним скотчем небольшие проводки, я принялся собирать конденсатор. После сборки провел зарядку. Используя резиновые перчатки, плоскогубцы и пластиковую лопатку, мне удалось поочередно разобрать конденсатор. Фольга упорно не хотела отходить от своих пластин. Оставив только нижнюю пластинку диэлектрика, ПВХ (0.3 мм), а две другие расположив неподалеку, я принялся укладывать совершенно левые пластины фольги, которые не участвовали в зарядке конденсатора, перекладывая их в той же последовательности с пластинами диэлектрика ПВХ я закончил сборку. Момент истины. Свожу плоскогубцами два провода контакта конденсатора: ИСКРА!

    Выводы:

    Заряды накапливают и хранят не проводники а диэлектрики! Пластины из проводника лишь служат способом быстрой доставки и быстрого сбора заряда при зарядке разрядке конденсатора. В конденсаторе пластины из проводника не создают магнитного поля, они пассивны!

    После успешного проведения эксперимента, я решил соединить две пластины фольги, которые участвовали в зарядке. В подтверждение всего сказанного выше они даже не выдали разряда, хотя как пластины диэлектрика так и проводника снятые во время разборки не контактировали с другими проводниками, емкостями и контурами.

    Сегодняшнее пояснение в физике, принципа работы конденсатора, наглая ложь!Проводник лишь транспортер заряда, хранитель же - диэлектрик!!!

    С уважением tesla

    ссылка на оригинал поста, копия на YVISION

    Теги: наука , технологии , физика , конденсатор

    horde.me

    Диэлектрики и проводники в электрическом поле: особенности и поведение

    Диэлектрики и проводники в электрическом поле – тема статьи. Ниже рассмотрены физические процессы, происходящие внутри тел и снаружи. Рекомендуется ознакомиться с обзорами на тему электрического потенциала и электрического напряжения.

    Электричество и магнетизм

    Электричество известно с давних времён, но иных сведений, кроме признания существования, о явлении не приводилось. Узнали лишь, что статический заряд удаётся получить трением, и дело застопорилось. Сложно сказать, что открыто раньше, но геологи считают, что магнетизм известен людям по крайней мере с V века до нашей эры. Находки указывают, что намагниченные куски породы использовались в неизвестных целях на территории современной Турции.

    Известно, что систематизация данных по магнетизму началась раньше. Первопроходцем стал известный ныне, благодаря единственному документу, Перегрин. В 1269 году он написал манускрипт, где описал и систематизировал данные по магнитам, предложил методику ориентации для путешественников в пространстве. С латинского «перегринус», «пилигрим» – путешественник. Уже в первые века нашей эры свойство магнита активно эксплуатировалось китайскими мореходами. Перегрин вскрывал ряд свойств:

    1. Магнит всегда располагается по направлению с севера на юг. Следовательно, обнаруживает два полюса. Одноименные отталкиваются, а разноимённые притягиваются.
    2. Если магнит разломить пополам, получается два совершенно отдельных куска, обладающие в полной мере свойствами первоначального. Получить полюс по отдельности простыми средствами не получится.

    Что касается электричества, физики отдают несомненный приоритет Гильберту. Этот человек создал трактат, где собрал и систематизировал имеющиеся данные, много экспериментировал самостоятельно. Гильберт, по странному совпадению занялся сравнением магнетизма и электричества. К 1600 году никто не задумывался о связи материй и ничего не мог доказать. Гильберт установил, что электричество – в его понимании – считается слабой субстанцией: заряд легко смывается водой, экранируется и характеризуется малой силой взаимодействия. Для теории и будущих поколений сделал важное наблюдение:

    • Магнитный шар из руды – Гильберт назвал его Тереллой – ведёт себя подобно Земному в смысле действия на стрелку компаса.
    • Электрическое взаимодействие распространяется по прямой. Следовательно, Гильберт оказался первым, кто правильно охарактеризовал силовые линии поля.

    Два века понадобилось человечеству, чтобы подобный эффект обнаружить в проводе с током. Сказанное приводит к выводу, что исследования тормозились, вдобавок к инквизиции, отсутствием генератора электричества – не с чем проводить эксперименты. Тереть янтарь шерстью утомительно и малоэффективно. Иллюстрации Гильберта (см. рис.) подтолкнули исследователей к изучению структуры силовых линий, что в будущем помогло объяснить поведение диэлектриков и проводников в магнитном поле.

    Гильберту приписывают первую систематизации материалов. Он искал вещества, демонстрирующие способности к электризации, составил списки отличающихся. В последний класс попало большинство металлов, в первый – диэлектрики. Сегодня установлено, что статический заряд распределить возможно практически на любом теле. Но трением приобретают необычные свойства преимущественно диэлектрики. Таким образом, Гильберт первым систематизировал материалы, хотя на момент 1600 года не смог дать удовлетворительные объяснения.

    Считается, что первый электростатический генератор изобрёл Отто фон Герике. Серный шар, вращающийся на железной оси, натирали ладонями, наблюдая искры электрического разряда. Герике обнаружил перераспределение статического электричества по поверхности различных тел. На основе созданного генератора стали ставить опыты, к середине XVIII века материалы оказались поделены на классы (проводники и диэлектрики) и по знаку получаемого трением заряда. Появилось смоляное (отрицательное) и стеклянное (положительное) электричество.

    Дальнейшие эксперименты позволили при помощи крутильных весов (на тонкой нити) установить закон притяжения и отталкивания между зарядами. Это сделал Шарль Кулон. Он описал количественно силу взаимодействия, подтвердив предположение Гильберта о линейности силовых линий электрических зарядов. На это ушло без малого два века. Закон Кулона позволил учёным дать первые объяснения касательно поведения диэлектриков и проводников в электрическом поле. Уже тогда присутствовало любопытное приспособление, способное удивить и скептика…

    Электрофорус

    Если поведение диэлектриков в электрическом поле долгое время оставалось неизученным, благодаря металлам Вольта узнал больше об электричестве и позже смог изобрести знаменитый гальванический источник питания. Речь идёт об электрофорусе. Прибор, не слишком известный в России, будоражил умы западных учёных, сегодня служит непременным элементом развлечения студентов. Прибор сейчас покажет (и докажет), как ведут себя проводники в электрическом поле.

    Электрофорус — статический генератор с ручным взводом, металлическая печать солидного размера, лучший способ демонстрации статического электричества. Представим, что на круглую подложку из древесины наклеен тончайший лист резины. Вольта говорил, что толстый кусок проявляет худшие свойства. Но не сумел объяснить причину. В давнее время люди не знали, что диэлектрики обладают способностью запасать энергию электрического поля во внутренней структуре. Принцип теперь используется в большинстве конденсаторов.

    Тонкий кусок меньше энергии поля поглощал и больше оставлял на поверхности в виде заряда. Трением быстрее доводился до кондиции. Указанный факт отметил Вольта. Требовалось резину натереть. Вольта делал это добрым куском шерсти в течение ряда минут.

    Заключительным штрихом конструкции служил тонкий металлический диск, полностью покрывавший резиновый. Толщина выбиралась меньшей, чтобы свойства проводника в электрическом поле проявились ярче. Что происходило в электрофорусе:

    1. Оператор натирал резину до образования плотного статического заряда электронов.
    2. Убирал шерсть и опускал сверху металлический диск.
    3. Проводник электризовался влиянием. Из-за шероховатости поверхности точек соприкосновения оказывалось мало, низ диска заряжался положительно. Это вызвано оттоком электронов, вытолкнутых полем наверх (см. ниже).
    4. Потом оператор кратковременно заземлял верхнюю часть диска лёгким касанием и разрывал поверхности.
    5. На нижней стороне металлической «печати» оставался свободный статический положительный заряд.

    Опыт повторялся десятки раз. Очевидцы заявляют о сотнях, а Вольта говорил, что «сложно избавить резину от флюида» и предлагал делать это солнечными лучами, пламенем свечи и прочими сильными средствами. Чтобы понять, как работает электрофорус, нужно иметь представление о поведении проводника в электрическом поле.

    Поведение проводника в электрическом поле

    Деление на проводники, полупроводники и диэлектрики условное. Нет чёткой границы, градация ведётся по удельной проводимости веществ. Проводники хорошо проводят ток, диэлектрики практически лишены указанного качества.

    Рассмотрим случай однородного поля с прямыми и параллельными друг другу силовыми линиями, как в большинстве учебников физики. Помещённый в постоянное поле металл начинает заряжаться статическим электричеством, как описано выше. Смысл: линии напряжённости идут в направлении, куда двигался бы положительный заряд – так решил Франклин. Но электроны отрицательны, плывут против течения.

    В результате на образце проводника со стороны истока поля скапливается избыток носителей со знаком минус. А противоположный конец металла положителен. Процесс происходит так:

    1. Поле проникает внутрь металла.
    2. Проводник полон свободных носителей заряда, двигающихся вдоль силовых линий.
    3. Процесс перераспределения идёт, пока собственное поле электронов и свободных орбит атомов не уравновесит внешнее воздействие.
    4. На этом влияние постоянного электрического поля исчерпывается.

    Что происходит, если напряжённость поля непостоянна во времени? Допустим, на поверхность падает электромагнитная волна, вызывая попеременное движение электронов в обе стороны, что вызовет ответную электромагнитную волну. Получается, проводник обладает экранирующими свойствами. Отразится лишь половина, это доказывается в теории динамики распространении радиоволн. Чтобы эффект экранирования стал полным, требуется металл заземлить. Что делается на практике.

    Поведение диэлектрика в электрическом поле

    Стройной теории по поводу поведения диэлектриков в электрическом поле сегодня нет. Физики объясняют происходящее так: в толще вещества присутствуют диполи, образованные сложным строением полимера или аморфного вещества. Размер структур лежит в области нанотехнологий. Молекулы обладают упругими свойствами, проникающее внутрь поле ориентирует их соответствующим образом. Положительная часть смещается по направлению поля, а отрицательная – против.

    Диэлектрик способен накапливать энергию поля. Это используется в конденсаторах. Показано, что ёмкость их увеличивается в количество раз, равное диэлектрической проницаемости материала, помещённого между обкладками (для воздуха и вакуума величина равняется 1). Опишем происходящее:

    1. Конденсатор способен зарядиться лишь до уровня приложенного напряжения.
    2. Между обкладками создаётся поле. Уровень его напряжённости вычисляется через разницу электрических потенциалов.
    3. Поле действует на диэлектрик. Диполи внутри начинают ориентироваться так, чтобы с лёгкостью ослабить напряжённость поля.
    4. Как результат, напряжение на обкладках понижается, процесс заряда возобновляется, до достижения лимита, определяемого типом диэлектрика. Речь идёт о проницаемости вещества.

    Диэлектрики в свободном состоянии не имеют выраженного заряда, описываемый эффект назван поляризацией – созданием поля. Вращение диполей считается лишь механизмом, проявляющимся при внешнем воздействии. Во вторую очередь, элементарные заряды начинают вдобавок отдаляться друг от друга. Диполь растягивается. Силы упругости вносят лепту в запасание диэлектриком энергии поля.

    Статический заряд на материалы нельзя нанести влиянием. Они хорошо электризуются трением и прикосновением. О чем осведомлены инженеры из нефтяного бизнеса. Масса усилий уходит, чтобы не допустить электризации горючего, приводящей к взрывоопасной ситуации. Задача облегчается тем, что заряд стремится расположиться на поверхности вещества. И специальными гребёнками легко производится нейтрализации. Их ставят на пути потока нефти и снимают на заземлитель избыточный заряд.

    vashtehnik.ru

    Проводники и диэлектрики. Электрический ток в металлах и электролитах

    Занимательные фишки - 7 класс Занимательные фишки - 8 класс Занимательные фишки - 9 класс 10-11 класс Диафильмы по физике

    Проводник - это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля.В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля.Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных - хорошие проводники электрических зарядов.

    ___

    Изолятор ( или диэлектрик ) - тело не содержащее внутри свободные электрические заряды.В изоляторах электрический ток невозможен.К диэлектрикам можно отнести - стекло, пластик, резину, картон, воздух. тела изготовленные из диэлектриков называют изоляторами.Абсолютно непроводящая жидкость – дистиллированная, т.е. очищенная вода,(любая другая вода (водопроводная или морская) содержит какое-то количество примесей и является проводником)

    ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

    В металле всегда существует большое количество свободных электронов.Электрический ток в металлических проводниках — это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля, создаваемого источником тока.

    ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ

    Электрический ток могут проводить растворы солей и кислот, а также обычная вода ( кроме дистиллированной). Раствор, способный проводить электрический ток, называется электролитом.В растворе молекулы растворяемого вещества под действием растворителя превращаются в положительные и отрицательные ионы. Ионы под действием приложенного к раствору электрического поля могут перемещаться: отрицательные ионы - к положительному электроду, положительные ионы – к отрицательному электроду.В электролите возникает электрический ток. При прохождении тока через электролит на электродах выделяются чистые вещества, содержавшиеся в растворе. Это явление называется электролизом.В результате действие электрического тока в электролите происходят необратимые химические изменения, и для дальнейшего поддержания электрического тока его необходимо заменить на новый.

    ИНТЕРЕСНО

    В 17 веке после того как Уильям Гильберт установил, что многие тела обладают способностью электризоваться при их натирании, в науке считалось, что все тела по отношению к электризации делятся на два вида: на способные электризоваться при трении, и на тела, не электризующиеся при трении. Только в первой половине 18 века было установлено, что некоторые тела обладают, кроме того, способностью распространять электричество. Первые опыты в этом направлении были проведены английским физиком Греем. В 1729 г. Грей открыл явление электрической проводимости. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество не распространялось. Именно Грей разделил вещества на проводники и непроводники электричества. Только в 1739г. было окончательно установлено, что все тела следует делить на проводники и диэлектрики.___

    К началу 19 века стало известно, что разряд электрических рыб проходит через металлы, но не проходит через стекло и воздух.

    ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ

    Гальваностегия.

    Покрытие предметов слоем металла при помощи электролиза называется гальваностегией. Металлизировать можно не только металлические предметы, но и предметы из дерева, листья растений, кружева, мертвых насекомых. Сначала надо сделать эти предметы жесткими, а для этого подержать их некоторое время в расплавленном воске.Затем равномерно покрыть слоем графита ( например, потерев карандашным грифелем), чтобы сделать их проводящими и опустить в качестве электрода в гальваническую ванну с электролитом, пропуская через него некоторое время эл. ток. Через какое-то время на этом электроде выделится металл, содержащийся в растворе, и равномерно покроет предмет.

    Археологические раскопки, относящиеся к временам Парфянского царства, позволяют допустить, что уже две тысячи лет тому назад производилось гальваническое золочение и серебрение изделий! Об этом говорят и находки, сделанные в гробницах египетских фараонов.

    ОПЫТЫ С ЭЛЕКТРОЛИТАМИ

    1. Если взять раствор медного купороса, собрать электрическую цепь и опустить электроды ( графитовые стержни от карандаша) в раствор, то лампочка загориться. Есть ток!Повторите опыт, заменив электрод, соединенный с минусом батарейки на алюминиевую пуговицу. Через какое-то время она станет «золотой», т.е. покроется слоем меди. Это – явление гальваностегии.

    2. Нам понадобятся: стакан с крепким раствором поваренной соли, батарейка от карманного фонарика, два кусочка медной проволоки длиной примерно 10 см. Зачистите концы проволоки мелкой наждачной шкуркой. Подсоедините к каждому полюсу батарейки по одному концу проволочек. Свободные концы проволочек опустите в стакан с раствором. Вблизи опущенных концов проволоки поднимаются пузырьки!

    СДЕЛАЙ САМ !

    1. Изготовьте измерительный прибор - тестер для определения, является ли вещество проводником электрического тока. Для этого нужны батарейка, лампа от карманного фонарика и соединительные провода. Замкните собранную электрическую цепь на исследуемый проводник и по наличию или отсутствию свечения лампы определите, является ли вещество проводником.

    2. Продемонстрировать наличие свободных электрических зарядов в жидкости можно так: металлический чайник и алюминиевый стакан от калориметра соедините проводниками с гальванометром. В чайник налейте воду, в которой растворите немного соли. Начните тонкой струйкой переливать соленую воду из чайника в стакан, гальванометр покажет наличие электрического тока. Изменяя длину и толщину струи, проследите за изменением силы тока.

    ПОЧЕМУ

    При устройстве заземления хорошо провод зарыть на глубину до 2,5 м. Однако в полевых условиях сделать это не всегда представляется возможным. Поэтому заземление часто делают в виде штыря, забитого в землю. Почему в этом случае полезно место заземления полить соленой водой?

    НЕЛЬЗЯ-Я-Я !

    При возникновении пожара в электроустановках нужно немедленно отключить рубильник. Огонь, вызванный током, НЕЛЬЗЯ гасить водой или обычным огнетушителем, т.к. струя воды является проводником и может снова замкнуть цепь и восстановить причину пожара. В этом случае необходимо применять сухой песок или пескоструйный огнетушитель.

    ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ ТЕЛО - ПРОВОДНИК ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

    Если случайно человек окажется под напряжением, то возможна травма или даже смерть.

    При работе с электроцепями НЕЛЬЗЯ :- нельзя одновременное двумя руками прикасаться к оголенным проводам.- нельзя прикасаться к оголенному проводу, стоя на земле или на сыром ( даже цементном или деревянном) полу.- нельзя пользоваться неисправными электрическими приборами.- нельзя ремонтировать электрический прибор, не отключив его от источника тока.

    Первая помощь пораженному электрическим током.

    Часто сам человек не может освободиться от проводов с током, т.к. электрический ток вызывает судорожное сокращение мышц, или пострадавший теряет сознание. Сначала надо отсоединить человека от токонесущих проводов. Для этого надо выключить ток или вывернуть предохранители, стоящие около счетчика. Если выключатель далеко, то надо деревянной палкой (непроводящим предметом) оттащить его от провода. Под ногами должен быть изолирующая поверхность: резиновый коврик, сухие доски или линолеум. Оттаскивать пострадавшего от проводов голыми руками можно только за концы сухой одежды и одной рукой. Нельзя касаться соединенных с землей. проводящих предметов!Затем пострадавшего надо положить на спину и вызвать врача.

    Не суй пальцы в розетку, они еще пригодятся!

    Устали? - Отдыхаем!

    Вверх

    class-fizika.ru


    Смотрите также