Непровідники електрики (діелектрики) — опис, приклади

Одним з розділів фізики є електродинаміка. Це наука, що вивчає електромагнітну взаємодію тіл. Згідно з її принципами всі речовини в природі можна розділити на дві великі групи:

• провідники;
• непровідники електрики.

Як приклад перших можна привести метали, а других — пластмаси. Поділ на типи відбувається через особливості внутрішньої будови тіл, що характеризує здатність речовин до поляризації.

Загальні відомості

Будь-який об’єкт, який існує в природі, як живої, так і неживої, називають фізичним тілом. Складається воно з речовини, яка утворюється з елементарних частинок, що володіють фізичними і хімічними властивостями.

Визначаються вони кількістю молекул, які формуються за допомогою пов’язаних між собою атомів. Своєю чергою, вони складаються з елементарних частинок – нейтронів і протонів. Навколо них на певній відстані по орбіталі обертаються електрони. Вони є носіями одиничного електричного заряду.

Вчені умовно прийняли, що електрони мають негативний заряд, а протони – позитивний. При цьому в будь-якій оболонці, ядрі, кількість мінусових і плюсових частинок однакова. Тому атом є електрично нейтральним.

Для того, щоб цей стан змінився необхідно до тіла прикласти зовнішній вплив. В результаті атом може втратити або, навпаки, приєднати кілька електронів, тобто перетворитися в іон. Таке явище характерне для рідин, що вступають в різні реакції.

Незв’язані з атомами електрони називають вільними. Будь-яка негативна частинка, що отримала енергію ззовні, може розірвати зв’язок і вирватися за межі ядра. Наприклад, при поглинанні фотона світла або радіоактивному розпаді. Число вільних електронів в різних матеріалах відрізняється. Ось саме за їх кількістю і було вирішено Вченою радою розділяти всі речовини на два великих класи:

• провідник;
• діелектрик.

Як приклад хорошого провідника можна привести мідь, а непровідника — скло. Цей поділ дозволив показати, які тіла можуть брати участь у виникненні електричного струму, а які – ні.

Кількісною характеристикою явища є електропровідність – це здатність фізичної речовини проводити струм. Адже останній утворюється при впорядкованому русі вільних носіїв зарядів. Чим їх більше в об’єкті, тим сильніша сила перенесення виникає.

Слід зазначити, що, якщо на тіло не діє зовнішня сила, переміщення незв’язаних електронів відбувається хаотично. При цьому частинки стикаються з атомами, дефектами кристалічної решітки, віддають та отримують енергію. Але струм не з’являється, оскільки енергія системи знаходиться у рівноважному стані.

Дослідження діелектриків

Речовини, які не володіють електропровідністю, називаються діелектриками або непровідниками електричного струму. Молекули такого тіла нейтральні, в них кількість позитивних і негативних зарядів однакова.

Але, попри це частинки тіла все одно володіють електричними властивостями. У загальному вигляді пов’язані атоми можна розглядати як диполь, що володіє моментом:

P = q * l

де

• q — загальний заряд всіх частинок в діелектрику;
• l — відстань між центрами частинок.

При повороті диполів відбувається деформування зв’язків, створюються індуковані моменти. Якщо до непровідника не прикладено зовнішнє поле, то через безладний рух вони орієнтовані хаотично. Тому їх сума дорівнює нулю. Якщо ж діелектрик внести в електромагнітне поле, то виникне поляризація. У будь-якому елементарному об’ємі буде існувати дипольний момент відмінний від нуля.

Існує кілька видів поляризації, ось основні з них:

• Орієнтаційна. Прикладене поле прагне розгорнути диполі вздовж свого напрямку. Цьому заважає тепловий рух. В результаті виникає переважна орієнтація у напрямку ліній електромагнітної індукції. Вона залежить від значення електрорушійної сили і температури.
• Електронна. Інша її назва – деформаційна. При цьому типі виникають індуковані диполі. Теплові коливання не впливають на поляризацію. Цей вид характерний для полікристалічної кераміки, перовскиту CaTiO₃.
• Іонна. Може існувати тільки в щільних діелектриках, структура яких обумовлена кристалічною решіткою. При цьому відбувається поділ позитивних і негативних іонів за прикладом провідників. Причому перші зміщуються уздовж напрямку електричного поля.

Таким чином, будь-який матеріал, по суті, може проводити електричний струм. Але в діелектриках його сила настільки мала, що ним нехтують. При цьому для появи струму потрібно докласти напругу великої сили.

Електричні властивості діелектричного матеріалу характеризуються діелектричною проникністю середовища. Її фізичний сенс полягає в показуванні у скільки разів електростатичне поле всередині непровідника менше, ніж у вакуумі:

E = E₀/Е_в

Наприклад, для:

• поліетилену E = 2,3;
• скла — 10;
• води — 81;
• повітря — 1,00057.

Що цікаво, діелектрична проникність може володіти дисперсією.

Дослід з електроскопом

Найпростішим приладом для виявлення електричного заряду є електроскоп. Свою назву пристрій отримав від грецького слова skopeo — спостерігати. Перший прилад був створений фізиком Вільямом Гільбертом в 1600 році. Його принцип дії заснований на здатності різнойменних зарядів притягуватися, а однойменних — відштовхуватися.

Найпростіший електроскоп складається з металевого стрижня, на кінці якого закріплена куля, що проводить електрику. Зі зворотного боку через скобу прикріплені дві пелюстки з тонкого паперу. Стрижень встановлений в прозору посудину.

Для проведення досліду знадобиться виконати наступне:

• Діелектрик, наприклад, ебонітову паличку, треба піднести до кулі на відстань 3-5 міліметрів від її поверхні. При цьому можна буде спостерігати, як пелюсточки розійдуться на певний кут. Відбудеться це через те, що виникне електричне поле, яке роз’єднає по знакам носії заряду. В результаті на пелюстки перейдуть однойменні частинки, що і змусять їх відштовхуватися один від одного. Якщо паличку відвести відбудеться вирівнювання, заряди рівномірно розподіляться, і пристрій прийде в початковий стан.
• Цей дослід можна повторити з іншим діелектриком, наприклад, скляною паличкою. Якщо її піднести до кулі, то на ній будуть збиратися електрони, а на пелюстках збереться позитивний заряд. Як тільки паличка буде прибрана, поділ зарядів пропаде.
• Тепер діелектриком можна торкнутися кулі. Пелюстки розійдуться на певний кут. Після того, як непровідник буде прибраний, заряд на кулі залишиться. Розрядити пристрій можна просто торкнувшись кулі рукою.

Ці експерименти показують, що будь-який матеріал має електричний заряд. Але попри це діелектрик є ізолятором, тобто не пропускає через свою структуру електричний струм. Водночас, якщо струм починає проходити, то в цьому випадку говорять про пробої. Залежить параметр пробою від величини напруги і товщини електроізоляційного матеріалу.

Існує такий різновид електроскопа як електрометр. У ньому замість пелюсток використовується стрілка і проградуйована шкала. Тому з його допомогою можна не тільки виявити заряд, але і визначити його кількісне значення.

Приклади непровідників

З визначення діелектрика випливає, що це тіло, яке перешкоджає проходженню через себе електроенергії. Навіть з грецької dia electric перекладається як “матеріал, що погано проводить струм”. Ось чому його можна назвати ізолятором. З найбільш яскравих представників непровідників можна перерахувати наступні:

• ебоніт;
• скло;
• пластмаса;
• невпорядковані полімери;
• бурштин;
• кераміка;
• гума;
• капрон;
• шовк;
• ситал;
• смола;
• повітря;
• дерево.

Існують і так звані екзотичні діелектрики. Вони мають властивості, що роблять їх використання нетривіальним. Наприклад, електрети. Це непровідники, у яких поляризація існує і при відсутності зовнішнього поля. По суті, вони аналоги постійного магніту.

Якщо провідник при електромагнітному впливі намагнічується, то звичайний діелектрик поляризується. Електрет ж знаходиться в такому стані постійно. А це означає, що речовина навколо себе створює електричне поле. Цю властивість використовують в мікрофонах, генераторах, електрометрах.

Ще одним видом цікавого непровідника є сегнетоелектрик. Це діелектрик, у якого діелектрична проникність аномально висока: E > 103. Правда, цей параметр у такого типу речовин сильно залежить від напруженості поляризуючого поля і температури. Його граничне значення, при якому пропадають властивості сегнетоелектриків, називають температурою Кюрі. До яскравих представників цього класу можна віднести:

• сегнетову сіль (KnaC₄H₄O₆ * 4H₂O),
• титанат барію (BaTiO₃).

У природі бувають також і діелектрики, у яких поляризація з’являється без будь-якого впливу зовнішнього механічного поля при механічній деформації.

До них відноситься:

• сегнетова сіль;
• титанат барію;
• кварц.

Якщо по кристалу таких діелектриків просто вдарити, то на гранях речовини з’являться електричні заряди. В результаті можна навіть отримати іскру. Ця властивість використовується в пристроях автоматичного підпалу, наприклад, газових пальниках, запальничках.

Варто відзначити і ізолятори Мота. Це речовини з кристалічною решіткою, які всупереч теорії провідників є ізоляторами.

Ефект можливий через те, що сила міжелектродної взаємодії набагато більше енергії зарядів. Такими властивостями володіють багато рідкоземельних металів, наприклад купрат.