Почему диэлектрики не проводят ток
Для ответа на вопрос «почему же диэлектрик не проводит электрический ток?», сначала давайте вспомним что такое электрический ток, а также назовем условия, соблюдение которых необходимо для возникновения и существования электрического тока. А после этого сравним, как ведут себя проводники и диэлектрики применительно к поиску ответа на данный вопрос.
Электрическим током называется упорядоченное, то есть направленное, движение заряженных частиц под действием электрического поля. Таким образом, во-первых, для существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц, способных двигаться направленно. Во-вторых, требуется электрическое поле, которое бы приводило данные заряды в движение. И, конечно, должно существовать некое пространство, в котором бы происходило данное движение заряженных частиц, называемое электрическим током.
Свободные заряженные частицы имеются в большом количестве в проводниках: в металлах, в электролитах, в плазме. В медном проводе, например, это — свободные электроны, в электролите — ионы, например ионы серной кислоты (водород и оксид серы) в свинцово-кислотном аккумуляторе, в плазме — ионы и электроны, именно они движутся при электрическом разряде в ионизированном газе.
Для примера возьмем два куска медного провода, и подключим с их помощью маленькую лампочку к батарейке. Что произойдет? Лампочка начнет светиться, а значит в цепи возник постоянный электрический ток. Между концами проводников теперь имеется разность потенциалов созданная батарейкой, а значит внутри проводника начало действовать электрическое поле.
Электрическое поле заставляет электроны внешних оболочек атомов меди дрейфовать по направлению поля — от атома к атому, от атома — к следующему атому, и так далее по цепи, поскольку электроны внешних оболочек атомов металлов намного слабее связаны с ядрами, чем электроны более близких к ядрам электронных орбит. Туда, откуда ушел электрон, приходит другой электрон с отрицательной клеммы батарейки, то есть электроны свободно перемещаются по металлической цепи, легко меняя свою принадлежность к атомам.
Они как-бы идут строем вдоль кристаллической решетки металла в том направлении, в котором их толкает, пытается ускорить, электрическое поле (от минуса — к плюсу источника постоянной ЭДС), при этом на всем своем пути электроны придерживаются атомов кристаллической решетки.
Некоторые электроны по ходу своего движения врезаются в атомы (в силу того что тепловое движение колеблет всю структуру атомов вместе с электронами), в результате происходит нагрев проводника — так проявляется электрическое сопротивление проводников.
Свободные электроны в металле
Изучение металлов при помощи рентгеновских лучей, а также другими методами показало, что металлы обладают кристаллической структурой. Это означает, что они состоят из определенным образом расположенных в пространстве атомов или молекул (строю говоря, ионов), создающих правильное чередование по всем трем измерениям.
В этих условиях атомы элементов оказываются расположенными друг к другу настолько близко, что их внешние электроны в той же мере принадлежат данному атому, как и соседним, вследствие чего степень связанности электрона с каким-либо отдельным атомом практически отсутствует.
В зависимости от рода металла по крайней мере один из электронов каждого атома, иногда два электрона, а в немногих случаях и три электрона оказываются свободными в отношении своих перемещений внутри металла, под воздействием наложенных извне сил.
А что в диэлектрике? Если вместо медных проводов взять пластик, бумагу или что-нибудь подобное? Электрического тока не возникнет, лампочка не засветится. Почему? Структура диэлектрика такова, что он состоит из нейтральных молекул, которые даже под действием электрического поля не отпускают свои электроны в упорядоченное движение — просто не могут. В диэлектрике нет свободных электронов проводимости как в металле.
Внешние электроны в атоме каждой молекулы диэлектрика намертво запакованы, к тому же они участвуют во внутренних связях молекулы, при этом молекулы такого вещества в целом электрически нейтральны. Все что могут молекулы диэлектрика — поляризоваться.
Под действием приложенного к ним электрического поля, связанные электрические заряды каждой молекулы просто сместятся немного от положения равновесия, при этом заряженные частицы останутся каждая в своем атоме. Данное явление смещения зарядов называется поляризацией диэлектрика.
В результате поляризации, у поверхности диэлектрика, поляризованного таким образом приложенным к нему электрическим полем, появляются заряды, которые стремятся своим электрическим полем уменьшить внешнее электрическое поле, вызвавшее поляризацию. Способность диэлектрика ослаблять таким образом внешнее электрическое поле, называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Классификация материалов по отношению к способности проводить электрический ток
При появлении в нашей жизни электричества, мало кто знал о его свойствах и параметрах, и в качестве проводников использовали различные материалы, было заметно, что при одной и той же величине напряжения источника тока на потребителе было разное значение напряжения. Было понятно, что на это влияет вид материала применяемого в качестве проводника. Когда ученные занялись вопросом по изучению этой проблемы они пришли к выводу, что в материале носителями заряда являются электроны. И способность проводить электрический ток обосабливается наличием свободных электронов в материале. Было выяснено, что у некоторых материалов этих электронов большое количество, а у других их вообще нет. Таким образом существуют материалы, которые хорошо проводят электрический ток, а некоторые не обладают такой способностью.
Исходя из всего выше сказанного, все материалы поделились на три группы:
Каждая из групп нашла широкое применение в электротехнике.
Проводники
Проводниками являются материалы, которые хорошо проводят электрический ток, их применяют для изготовления проводов, кабельной продукции, контактных групп, обмоток, шин, токопроводящих жил и дорожек. Подавляющее большинство электрических устройств и аппаратов выполнена на основе проводниковых материалов. Мало того, скажу, что вся электроэнергетика не могла б существовать не будь этих веществ. В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.
Так же стоит упомянуть, что среди проводников есть супер проводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением — вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используют для изготовления резисторов, нагревательных элементов и спиралей осветительных ламп.
Но львиная доля в электротехнической сфере принадлежит рядовым проводникам: медь, серебро, алюминий, сталь, различные сплавы этих металлов. Эти материалы нашли самое широкое и огромное применение в электротехнике, особенно это касается меди и алюминия, так как они сравнительно дешевы, и их применение в качестве проводников электрического тока наиболее целесообразно. Даже медь ограничена в своем использовании, её применяют в качестве обмоточных проводов, многожильных кабелях, и более ответственных устройствах, еще реже встречаются медные шинопроводы. А вот алюминий считается королем среди проводников электрического тока, пускай он обладает более высоким удельным сопротивлением чем медь, но это компенсируется его весьма низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко применяется в электроснабжении, в кабельной продукции, в воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводах и т.д.
Полупроводники
Полупроводники, что-то среднее между проводниками и полупроводниками. Главной их особенностью является их зависимость проводить электрический ток от внешних условий. Ключевым условием является, наличие различных примесей в материале, которые как раз-таки обеспечивают возможность проводить электрический ток. Так же при определенной компоновку двух полупроводниковых материалов. На основе этих материалов на данный момент, произведено множество полупроводниковых устройств: диоды, светодиоды, транзисторы, семисторы, тиристоры, стабисторы, различные микросхемы. Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электронная техника. Все компьютеры, мобильные устройства. Да что там говорить, практически вся наша техника содержит в себе полупроводниковые элементы.
К полупроводниковым материалам относят: кремний, германий, графит, гр афен, индий и т.д.
Диэлектрики
Ну и последняя группа материалов, это диэлектрики, вещества не способные проводить электрический ток. К таким материалам относят: дерево, бумага, воздух, масло, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, поливинилхлорид, резина и т.д. Диэлектрики получили широкое применение благодаря своим качествам. Их применяют в качестве изолирующего материала. Они предохраняют соприкосновение двух токоведущих частей, не допускают прямого прикосновения человека с этими частями. Роль диэлектриком в электротехнике не менее важна чем роль проводников, так как обеспечивают стабильную, безопасную работу всех электротехнических и электронных устройств. У всех диэлектриков существует предел, до которого они не способны проводить электрический ток, его называют пробивным напряжением. Это такой показатель, при котором диэлектрик начинает пропускать электрический ток, при этом происходит выделение тепла и разрушение самого диэлектрика. Это значение пробивного напряжения для каждого диэлектрического материала разное и приведено в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше, надежней считается диэлектрик.
Параметром, характеризующим способность проводить электрический ток является удельное сопротивление R, единица измерения [Ом] и проводимость, величина обратная сопротивлению. Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электрический ток. У проводников он равен от нескольких десятых, до сотен Ом. У диэлектриков сопротивление достигает десятков миллионов ом.
Все три вида материалов нашли широкое применение в электроэнергетике и электротехнике. А так же тесно взаимосвязаны друг с другом.
Почему проводник проводит электрический ток а диэлектрики нет? Помогите ответить пожалуйста очень надо на завтра
У металлов, которые являются проводниками электрического тока в узлах кристаллической решетки находятся атомы металла, катионы металла, а между узлами — свободные, «обобществленные» электроны. И, если приложить напряжение — возникает электрический ток, т. е направленное движение электронов к положительному полюсу. В растворах и расплавах электролитов тоже есть заряженные частицы — катионы (+) и анионы (-). При приложении напряжения они устремляются к противоположному по знаку полюсу.
Похожие вопросы
Что такое диэлектрик и как это вещество проводит электрический ток
Диэлектрики — это вещества, которые не проводят электрический ток, до определенных условий. 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.
Чем отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников
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.
Виды и типы диэлектриков
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)
- полярные (вода, аммиак)
- жидкие кристаллы
- центросимментричные
- аморфные
- смолы, битумы (эпоксидная смола)
- стекла
- неупорядоченные полимеры
- нерегулярные кристаллы
- керамика
- упорядоченные полимеры
- ситаллы
- молекулярные
- ковалентные
- ионные
- параэлектрики смещения
- параэлектрики „порядок-беспорядок”
- монокристаллы
- пироэлектрики
- сегнетоэлектрики смещения
- сегнетоэлектрики „порядок-беспорядок”
- линейные пироэлектрики
- с водородными связями
- ковалентные
- ионные
- 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.
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.
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.
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.
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.
- пироэлектрики
- аморфные