2. Провідники і діелектрики в електричному полі.

Всі речовини в залежності від електропровідності поділяють на провідники, діелектрики, напівпровідники, магнітопровідні та електроізоляційні матеріали. Провідники можуть бути першого і другого роду. До провідників першого роду належать всі метали і їх сплави. Кристалічна решітка металу складається з ряду позитивних іонів, між якими у всіх напрямках переміщуються вільні електрони. За відсутністю зовнішнього електричного поля вільні електрони в металі рухаються навмання, тобто в усіх напрямках. Помістимо металічний провідник у вигляді платівки в електричне поле плоского конденсатора напруженістю Е. Під дією сил поля вільні електрони металічної платівки будуть переміщуватись до позитивно зарядженої пластини конденсатора і накопичуватися на одній поверхні АГ, утворюючи на ній негативний заряд індукції – Q . На іншій поверхні пластини БВ з’являється такий же позитивний заряд + Q/

Таким чином, в пластині буде відбуватися поділ електричних зарядів Доволі швидко заряд досягне заряду на пластинах конденсатора. Після цього поділ електричних зарядів в провіднику припинеться. Процес поділу електричних зарядів в провіднику під дією зовнішнього електричного поля називається електростатичною індукцією.

Заряди електростатичної індукції +Q та – Q утворюють в провіднику внутрішнє поле з напруженістю Е , що спрямовано протилежно до зовнішнього поля. При відповідності зарядів Q = Q напруженості їх також однакові: Е=Е . Таким чином, в середині металічного провідника виникає внутрішнє поле, яке повністю урівноважує зовнішнє. Тому напруженість сумарного поля в середині провідника буде дорівнювати нулю, тобто

Е = Е – Е = 0. Через відсутність електричного поля в середині провідника всі його точки мають однаковий потенціал. Значить, поверхня провідника є еквіпотенціальною поверхнею, а його об’єм - еквіпотенційним об’ємом сумарного електричного поля.

Електричне поле буде відсутнє не тільки в суцільному провіднику, а і в середині металічної оболонки. Ця якість використовується для захисту приладів від дії сторонніх електричних полів. Для цього прилад П поміщують в металічну оболонку або сітку-екран.

До провідників другого роду відносять розплавлені солі і водяні розчини солей, кислот, лугів. Ці провідники називають електролітами. Під час розчинення частина молекул солі, кислоти або луги розпадається на позитивні і негативні іони, які хаотично переміщуються в об’ємі електроліта. Але, якщо в електроліті створити електричне поле, то під дією його сил іони почнуть рухатися в певному напрямі: позитивні іони будуть рухатися переважно в напрямі сил поля, а негативні – в зворотному напрямі. Такий впорядкований рух іонів і є електричним струмом.

Таким чином, в провідниках першого роду можуть переміщуватися вільні електрони, а в провідниках другого – іони.

Діелектрики

Для електроізоляційних матеріалів характерною є дуже низька електропровідність, і вони використовуються для ізоляції частини установок, які перебувають під напругою, від обслуговуючого персоналу та одна від одної, а також для виготовлення конденсаторів.

Технічні діелектрики бувають твердими, а також рідинними та газоподібними. В свою чергу, тверді діелектрики, що найбільше поширені в техніці, можуть бути поділені на органічні (папір, картон,тканини з рослинних волокон, парафін та ін.), неорганічні (скло,кераміка, слюда) та кремнійорганічні, які займають проміжне становище між двома першими групами.

Рідинні діелектрики бувають природними (мінеральні нафтові масла) та синтетичними (вуглеводневі сполуки, оброблені хлором, та ін.).

Як газоподібні діелектрики застосовуються повітря, азот та деякі інші інертні гази.

Поляризація діелектриків

У діелектрику, що не зазнає дії постійного електричного поля, атоми перебувають у стані хаотичного теплового руху з невеликими швидкостями. Якщо такий діелектрик зазнає дії постійного електричного поля, то в ньому виникають специфічні процеси. Головним з них треба вважати його поляризацію.

Взагалі поляризація діелектриків буває трьох типів: електронна, іонна та орієнтаційна . Її характер цілком залежить від мікроструктури діелектрика.

Найбільш розповсюдженою є електронна поляризація твердого діелектрика, що має місце в конденсаторі.

Цей тип поляризації характерний для діелектриків, які складаються з нейтральних атомів. В нейтральному атомі центр орбіти електрона та центр ядра збігаються.

Поляризований атом, орбіта якого має форму еліпса, бо додатно наснажений позитивний електрод притягує до себе електрон. Зона дії, що створюється електроном, значно більша від зони дії, що створюється ядром. Центр орбіти електрона не збігається з центром ядра. Такий атом вже не є нейтральним, він має два полюси і називається диполем. Увесь діелектрик складається тепер з таких діиолів.

У результаті поляризації з боків діелектрика, що до електродів, виникають заряди різних знаків: на боці, зверненому до позитивного електрода, - від’эмний заряд, а на боці, зверненому до негативного електрода, - додатний. Внаслідок цього утворюються два електричних поля з напруженостями Е1 зовнішнього та Е2 внутрішнього полів. Останнє створюється поляризованими атомами діелектрика.

Електропровідність діелектриків

Усі види поляризації пов’язані зі зміщенням електричних зарядів нейтрального атома: додатних – до негативного зовнішнього електрода та від’ємних – до позитивного.

Усяке впорядковане переміщення електричних зарядів на довільну відстань, навіть дуже малу, називають електричним струмом. Стосовно діелектрика він має назву струму зміщення. Якщо до обкладок конденсатора прикласти сталу напругу, то виникне дуже короткочасний струм зміщення, який перестане існувати, коли частинки атома досягнуть нової рівноваги. Цей струм може бути зафіксований міліамперметром.

При підведенні до обкладок конденсатора змінної напруги відбуватиметься неперервна переполяризація діелектрика й виникнуть неперервні струми зміщення протилежних напрямів.

Це і є змінний струм, який проходить через діелектрик. Останній створює певний опір струмові, природа якого полягає в терті частин атома при пере поляризації. Цей опір називається ємнісним реактивним опором (Х ). При переполяризації діелектрикіа через тертя атомів між собою виникають певні теплові втрати, внаслідок чого діелектрик нагрівається.

Активний опір діелектриків

Кожний діелектрик має певну, дуже невелику, кількість вільних електронів, які не зв’язані з ядрами атомів.

Під дією зовнішнього електричного поля ці електрони створюють невеликий струм, який називається струмом витікання і проходить як в товщі діелектрика, так і в його поверхні. Він спричинює нагрівання діелектрика та втрати енергії, може досягти великого значення й привести до руйнування діелектрика.

Електрична міцність діелектриків

Як зазначено вище, струм витікання та теплові втрати в діелектрику при проходженні через нього змінного струму (пероеполяризації) зумовлюють нагрівання діелектрика. Якщо кількість теплоти, що виділяється в ньому, не компенсується її виділенням, то температура діелектрика підвищується і настає його звуглювання чи розплав. Це явище називається тепловим пробоєм діелектрика.

Електрична міцність діелектрика визначається мінімальною напруженістю Е однорідного електричного поля, що призводить до пробою діелектрика завтовшки d, до якого прикладено напругу U

E = U /d.

Є й інші причини пробою діелектрика. Коли в ньому міститься значна кількість вологи, то вона утворює струмопровідні мостики,що призводять до повної втрати ізоляційних властивостей діелектрика. Настає його електрохімічний пробій.

Існує також електричний пробій, що виникає в діелектрику, в якому у великій кількості є вільні електрони. При великій напруженості електричного поля вони створюють великий струм пробою, що руйнує діелектрик.

Діелектричні сприйнятливість і проникність

Діелектрична сприйнятливість – це фізична величина, що характеризує діелектрик з точки зору його здатності накопичувати електричну енергію. Оскільки остання в діелектрику є потенціальною енергією поляризованих атомів, діелектрична сприятливість характеризує також здатність діелектрика поляризуватися в електричному полі.

Розрізняють абсолютну Х та однорідну Х діелектричні сприятливості, причому перша дорівнює добутку другої та електричну сталу (діелектричну проникність вільного простору, чи вакууму) Ф/м.

Другою характеристикою діелектрика є його діелектрична проникність – величина, що показує, в скільки разів зменшується нормальна складова напруженості електричного поля при переході з вакууму в дане середовище, якщо на поверхні розділу вакуум – середовище немає вільних зарядів. При цьому також розрізняють абсолютну та відносну діелектричні проникності, що пов’язані між собою співвідношенням

Значення звичайно беруть з таблиць. Одиницею абсолютної діелектричної проникності в СІ є фарад на метр (Ф/м).