1.4 Провідники та діелектрики в електричному полі

Провідники –це речовини, які мають вільні електричні заряди (електрони або іони). Провідники 1 роду – це метали та їх сплави, в яких вільними носіями заряду є електрони. Провідники 2 роду- це електроліти ( розчини солей, кислот та лугів), в яких вільними носіями заряду є іони. При відсутності зовнішнього електричного поля вільні електрони в металі переміщуються хаотично.

Якщо металевий провідник (металеву пластину АВСD) (рис.3) помістити в електричне поле плоского конденсатора з напруженістю Е, то в ній буде проходити перерозподіл електричних зарядів ( тобто електрони будуть переміщуватись до позитивно зарядженої пластини конденсатора та накопичуватись на поверхні АВ, утворюючи на ній негативний заряд індукції –Q_інд , а на протилежній стороні пластини СD з явиться позитивний заряд індукції + Q_інд)_. Таке явище перерозподілу електричних зарядів в провіднику під дією зовнішнього електричного поля називається електростатичною індукцією.

Рис.3

Розподіл заряду буде проходити доки внутрішній заряд не зрівноважиться з зовнішнім Q_інд = Q . Заряди електростатичної індукції -Q_інд та +Q_інд утворюють своє внутрішнє поле з напруженістю Е_інд , яке направлено протилежно зовнішньому полю. При рівності зарядів Q_інд = Q рівні також напруженості Е =Е_інд .Тому всередині провідника виникає внутрішнє поле, яке зрівноважує зовнішнє, при цьому результуюче поле Е_рез=Е-Е_інд =0. Через відсутність електростатичного поля всередині провідника всі його точки мають однаковий потенціал , тобто поверхня провідника є еквіпотенціальною. Електричне поле буде відсутнім не тільки в суцільному провіднику, а і всередині металевої оболонки. Ця здатність провідників використовується для захисту приладів від дії зовнішніх

електричних полів, яке називається електростатичним екрануванням (при цьому прилад розміщують всередині металевого екрану або сітки).

Діелектрики-це речовини, які не мають вільних електричних зарядів, тобто вони не проводять електричний струм.. До них відносяться скло, кераміка, кварц, асбест, пластмаса, гума, папір, повітря, мінеральні масла. В залежності від їх фізичного стану діелектрики поділяються на тверді, рідкі та газоподібні. При деяких умовах (під дією високої температури або сильного електричного поля ) діелектрики можуть втратити свої ізолюючі властивості та перетворитись на провідники.

Якщо помістити пластину з діелектрика АВСD (рис. 4) в електричне поле плоского конденсатора, то в межах однієї молекули діелектрика виникне зміщення позитивних зарядів вздовж напряму електричного поля, а негативних зарядів- в

зворотному напрямі. Ці зсунуті та одночасно зв’язані заряди в межах однієї молекули утворюють диполь. Явище виникнення диполей називається поляризацією діелектрика. Його поляризованість тим більше, чим сильніше електричне поле. Під дією зовнішнього електричного поля на поверхнях АВ та СD зосередяться заряди –Q_пол та +Q_пол . Всередині діелектрика позитивні та негативні заряди диполів зрівноважуються. Ці заряди утворюють внутрішнє електричне поле поляризації, яке направлено назустріч зовнішньому полю. Результуюче поле в діелектрику визначається загальним зарядом Q_рез = Q- Q_пол ≠ 0. Це поле є результатом накладання зовнішнього поля з напруженістю Е та внутрішнього з напруженістю Е_пол, тоді результуюча напруженість поля в діелектрику

Е_рез = Е- Е_пол ≠ 0. Чим сильніше поляризується діелектрик, тим слабше результуюче поле і відповідно більше діелектрична проникність ε_{а .}

Е лектрична міцність діелектрика

При деякій напруженості зовнішнього

поля Е може виникнути місцеве

руйнування діелектрика з виникненням

каналу провідності –пробой діелектрика,

в результаті чого він втрачає свої

ізолюючі властивості і стає провідником.

Електрична міцність діелектрика

або пробивна напруженість- це

напруженість електричного поля, при

якій наступає пробой діелектрика.

Значення пробивної

Рис.4

напруженості для різних речовин знаходяться в довідниках.

Напруга, при якій виникає пробій діелектрика називається пробивною напругою.

Відношення пробивної напруги U_пр до товщини діелектрика в місці пробою d дорівнює пробивній напруженості

Е_пр= ,

Для надійної роботи електроустановки потрібно щоб вона мала певний запас міцності – це відношення напруги пробою до робочої напруги

k= .