Pk-vtk.ru

Электро освещение
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Портал для школьника. Самоподготовка

Почему диэлектрики. Что такое диэлектрики и где они используются

ДИЭЛЕКТРИКИ, вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «диэлектрик» введён М. Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает электростатическое поле. При помещении в электрическое поле любого вещества электроны и атомные ядра испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, создавая электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов (поляризация или электрическая проводимость) преобладает, вещества делят на диэлектрики (все неионизованные газы, некоторые жидкости и твёрдые тела) и проводники (металлы, электролиты, плазма).

Электрическая проводимость диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков 10 8 -10 17 Ом·см, металлов — 10 -6 -10 -4 Ом·см.

Количественное различие в электрической проводимости диэлектриков и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, в то время как в диэлектриках все электроны связаны (принадлежат отдельным атомам) и электрическое поле не отрывает, а лишь слегка смещает их.

Квантовая теория твёрдого тела объясняет различие электрических свойств металлов и диэлектриков различным распределением электронов по энергетическим уровням. В диэлектриках верхний заполненный электронами энергетический уровень совпадает с верхней границей одной из разрешённых зон (в металлах он лежит внутри разрешённой зоны), а ближайшие свободные уровни отделены от заполненных запрещённой зоной, преодолеть которую под действием не слишком сильных электрических полей электроны не могут (смотри Зонная теория). Действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности, которое приводит к поляризации диэлектрика.

Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации диэлектриков зависят от характера химической связи, т. е. распределения электронной плотности в диэлектриках. В ионных кристаллах (например, NaCl) поляризация является результатом сдвига ионов относительно друг друга (ионная поляризация), а также деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация), т. е. суммой ионной и электронной поляризаций. В кристаллах с ковалентной связью (например, алмаз), где электронная плотность равномерно распределена между атомами, поляризация обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих химическую связь. В так называемых полярных диэлектриках (например, твёрдый Н 2 S) группы атомов представляют собой электрические диполи, которые ориентированы хаотически в отсутствии электрического поля, а в поле приобретают преимущественную ориентацию. Такая ориентационная поляризация типична для многих жидкостей и газов. Похожий механизм поляризации связан с «перескоком» под действием электрического поля отдельных ионов из одних положений равновесия в решётке в другие. Особенно часто такой механизм наблюдается в веществах с водородной связью (например, лёд), где атомы водорода имеют несколько положений равновесия.

Поляризация диэлектриков характеризуется вектором поляризации Р, который представляет собой электрический дипольный момент единицы объёма диэлектрика:

где p i — дипольные моменты частиц (атомов, ионов, молекул), N — число частиц в единице объёма. Вектор Р зависит от напряжённости электрического поля Е. В слабых полях Ρ = ε 0 ϰΕ. Коэффициент пропорциональности ϰ называется диэлектрической восприимчивостью. Часто вместо вектора Р используют вектор электрической индукции (1)

где ε — диэлектрическая проницаемость, ε 0 — электрическая постоянная. Величины ϰ и ε — основные характеристики диэлектрика. В анизотропных диэлектриках (например, в некубических кристаллах) направление Р определяется не только направлением поля Е, но и направлением осей симметрии кристалла. Поэтому вектор Р будет составлять различные углы с вектором Е в зависимости от ориентации Е по отношению к осям симметрии кристалла. В этом случае вектор D будет определяться через вектор Е с помощью не одной величины ε, а нескольких (в общем случае шести), образующих тензор диэлектрической проницаемости.

Читайте так же:
Сверление под розетку бетон

Диэлектрики в переменном поле. Если поле Е изменяется во времени t, то поляризация диэлектрика не успевает следовать за ним, так как смещения зарядов не могут происходить мгновенно. Поскольку любое переменное поле можно представить в виде совокупности полей, меняющихся по гармоническому закону, то достаточно изучить поведение диэлектрика в поле Е = Е 0 sinωt, где ω — частота переменного поля, Е 0 — амплитуда напряжённости поля. Под действием этого поля D и Р будут колебаться тоже гармонически и с той же частотой. Однако между колебаниями Р и Е появляется разность фаз δ, что вызвано отставанием поляризации Р от поля Е. Гармонический закон можно представить в комплексном виде Е = Е 0 e iωt , тогда D = D 0 e iωt , причём D 0 = ε(ω)Ε 0 . Диэлектрическая проницаемость в этом случае является комплексной величиной: ε(ω) = ε’ + iε’’, ε’ и ε’’ зависят от частоты переменного электрического поля ω. Абсолютная величина

определяет амплитуду колебания D, а отношение ε’/ε» = tgδ — разность фаз между колебаниями D и Е. Величина δ называется углом диэлектрических потерь. В постоянном электрическом поле ω = 0, ε» = 0, ε’ = ε.

В переменных электрических полях высоких частот свойства диэлектрика характеризуются показателями преломления n и поглощения k (вместо ε’ и ε»). Первый равен отношению скоростей распространения электромагнитных волн в диэлектрике и в вакууме. Показатель поглощения k характеризует затухание электромагнитных волн в диэлектрике. Величины n, k, ε’ и ε» связаны соотношением (2)

Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля. В ряде твёрдых диэлектриков (пироэлектриках, сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках, электретах) поляризация может существовать и без электрического поля, т. е. может быть вызвана другими причинами. Так, в пироэлектриках заряды располагаются столь несимметрично, что центры тяжести зарядов противоположного знака не совпадают, т. е. диэлектрик спонтанно поляризован. Однако поляризация в пироэлектриках проявляется только при изменении температуры, когда компенсирующие поляризацию электрические заряды не успевают перестроиться. Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики, спонтанная поляризация которых может существенно изменяться под влиянием внешних воздействий (температуры, электрического поля). В пьезоэлектриках поляризация возникает при деформации кристалла, что связано с особенностями их кристаллической структуры. Поляризация в отсутствии поля может наблюдаться также в некоторых веществах типа смол и стёкол, называемых электретами.

Электрическая проводимость диэлектриков мала, но всегда отлична от нуля. Подвижными носителями заряда в диэлектриках могут быть электроны и ионы. В обычных условиях электронная проводимость диэлектриков мала по сравнению с ионной. Ионная проводимость может быть обусловлена перемещением как собственных ионов, так и примесных. Возможность перемещения ионов по кристаллу связана с наличием дефектов в кристаллах. Если, например, в кристалле есть вакансия, то под действием поля соседний ион может занять её, во вновь образовавшуюся вакансию может перейти следующий ион и т. д. В итоге происходит движение вакансий, которое приводит к переносу заряда через весь кристалл. Перемещение ионов происходит и в результате их перескоков по междоузлиям. С ростом температуры ионная проводимость возрастает. Заметный вклад в электрическую проводимость диэлектрика может вносить поверхностная проводимость (смотри Поверхностные явления).

Пробой диэлектриков. Плотность электрического тока j через диэлектрик пропорциональна напряжённости электрического поля Е (закон Ома): j = ςЕ, где ς — электрическая проводимость диэлектрика. Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом значении Е пр наступает электрический пробой диэлектрика. Величина Е пр называется электрической прочностью диэлектрика. При пробое почти весь ток течёт по узкому каналу (смотри Шнурование тока). В этом канале j достигает больших величин, что может привести к разрушению диэлектрика: образуется сквозное отверстие или диэлектрик проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции; например, в органических диэлектриках осаждается углерод, в ионных кристаллах — металл (металлизация канала) и т. п. Пробою способствуют всегда присутствующие в диэлектрике неоднородности, поскольку в местах неоднородностей поле Е может локально возрастать.

Читайте так же:
Способ монтажа поверхностный розетки

В твёрдых диэлектриках различают тепловой и электрический пробои. При тепловом пробое с ростом j растёт количество теплоты, выделяемое в диэлектрике, и, следовательно, температура диэлектрика, что приводит к увеличению числа носителей заряда n и уменьшению удельного электрического сопротивления ρ. При электрическом пробое с ростом поля возрастает генерация носителей заряда под действием поля и ρ тоже уменьшается.

Электрическая прочность жидких диэлектриков в сильной степени зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно понижает Е пр. Для чистых однородных жидких диэлектриков Е пр близка к Е пр твёрдых диэлектриков. Пробой в газе связан с ударной ионизацией и проявляется в виде электрического разряда.

Нелинейные свойства диэлектриков. Линейная зависимость Р = ε 0 ϰЕ справедлива только для полей Е, значительно меньших внутрикристаллических полей Е кр (Е кр порядка 10 8 В/см). Т.к. Е пр 10 8 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10 −8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 10 16 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10 −5 -10 8 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства. К ним относятся электреты , пьезоэлектрики , пироэлектрики , сегнетоэластики, сегнетоэлектрики , релаксоры и сегнетомагнетики.

Содержание

Согласно постулатам Бора, в изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения (также говорят, что электрон находится на одной из орбиталей).

В случае нескольких атомов, объединённых химической связью (например, в молекуле), электронные орбитали расщепляются в количестве, пропорциональном числу атомов, образуя так называемые молекулярные орбитали. При дальнейшем увеличении системы до макроскопического кристалла (число атомов более 10 20 ), количество орбиталей становится очень большим, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях, соответственно очень маленькой, энергетические уровни расщепляются до практически непрерывных дискретных наборов — энергетических зон. Наивысшая из разрешённых энергетических зон в полупроводниках и диэлектриках, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной зоной, следующая за ней — зоной проводимости. В металлах зоной проводимости называется наивысшая разрешённая зона, в которой находятся электроны при температуре 0 К.

Читайте так же:
Как соединить розетку с плинтусом

В основе зонной теории лежат следующие главные приближения [1] :

  1. Твёрдое тело представляет собой идеально периодический кристалл.
  2. Равновесные положения узлов кристаллической решётки фиксированы, то есть ядра атомов считаются неподвижными (адиабатическое приближение). Малые колебания атомов вокруг равновесных положений, которые могут быть описаны как фононы, вводятся впоследствии как возмущение электронного энергетического спектра.
  3. Многоэлектронная задача сводится к одноэлектронной: воздействие на данный электрон всех остальных описывается некоторым усредненным самосогласованным периодическим полем.

Ряд явлений, по существу многоэлектронных, таких, как ферромагнетизм, сверхпроводимость, и таких, где играют роль экситоны, не может быть последовательно рассмотрен в рамках зонной теории. Вместе с тем, при более общем подходе к построению теории твёрдого тела оказалось, что многие результаты зонной теории шире её исходных предпосылок.

Электрометр — усовершенствованный электроскоп

Усовершенствованием электроскопа в XVIII веке занимался великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов. Улучшенная версия была названа электрометром.

Рис. 2. Электрометр

Принципиально конструкция осталась такой же. Верхняя часть передающего заряд прутка была снабжена объемным шаром, чтобы можно было размещать больше зарядов. В нижней части прутка пластинки были заменены на легкую металлическую стрелочку, по углу отклонения которой можно оценить величину электрического заряда.

В целом можно сказать, что электрометр — это электроскоп с измерительной шкалой.

Другие интересные вопросы и ответы

Какие различают электрические ожоги человеческого тела?

Из своей практики расскажу на следующем примере. Например, если человека пытали током, но проводят скрининг. Электрические ожоги отличаются от термических тем, что на скрининге видны черные точки. Это похоже на то, что электричество проходя через тело человека не обугливает его ткани полностью, а в основном в центровых узлах, например, в узлах нервной системы. А по классификации электрические ожоги бывают 1,2 и 3 степени, как и термические.

Егор Анискевич 3

Ногти проводят электрический ток?

Насколько сильно может ударить статическое электричество, выработанное в бытовых условиях?

Естественные науки - фото3Источник: files.adme.ru

Человек каждый день сталкивается со статическим электричеством: прикасаясь к какому-либо предмету, мы иногда получаем небольшой удар током. Это неприятно, а иногда и больно. Наверняка, в эти моменты вы думаете, а может ли заряд быть настолько большим, чтобы последствия удара стали трагическими?

Чтобы убить человека, необходим заряд около 1400 мДж. Те заряды, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, несут от 1 до 30 мДж. Они могут возникнуть, например, при причесывании волос, когда атомы одного вещества из-за сильного притяжения перетягивают электроны с атомов другого вещества. Расческа получает отрицательный заряд, а волосы положительный, поэтому и начинают разлетаться в разные стороны (ведь одноименные заряды отталкиваются друг от друга). Когда мы дотрагиваемся до какого-нибудь предмета, мы отдаем ему лишний заряд, накопленный расчесыванием, из-за чего и возникает статическое электричество.

Удар статическим током можно получить даже от любимой кошки, но до сих пор не было зарегистрировано, чтобы домашние питомцы убивали своих хозяев током, да в целом риск смерти от прямого поражения бытовым статическим электричеством сводится к нулю. Даже если сесть в автомобиль и ездить с высокой скоростью, накапливая заряд, он вряд ли превысит хотя бы четверть смертельной дозы. Удар электричеством будет очень неприятным, но угрожать вашей жизни ничего не будет.

Читайте так же:
Узо как заменить розетку

Но не стоит думать, что статическое электричество не несет никакой опасности. Возникающие искры могут стать причиной возгорания легковоспламеняющихся веществ. Случаев, когда от пожаров, вызванных статическим электричеством, гибли люди – огромное количество. Но даже если в помещении нет взрывоопасных веществ, рефлекторное сокращение мышц может стать причиной травмы.

Даниил Бойко 12

Почему проводники проводят электрический ток, а диэлектрики почти не проводят??

Насколько я помню, у проводников есть свободные электроны, у диэлектриков – нет.

Физики из РАН и МФТИ исследовали сверхпроводимость, увидели «сверхпроводящее стекло» и написали статью в Nature Physics

Здание Института теоретической физики имени Ландау в Черноголовке

Согласно всем справочникам, сверхпроводимость — это свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определенного значения (критическая температура). Все материалы по отношению к способности проводить электрический ток делятся на четыре класса — диэлектрики, полупроводники, металлы и сверхпроводники. Диэлектрики (или изоляторы) почти не проводят ток, если не приложить к ним большое напряжение. Однако есть вещества, которые переходят из одного состояния в другое при небольшом изменении состава или при ином слабом воздействии.

Переход системы из состояния «сверхпроводник» в состояние «металл» стал объектом исследования профессора Московского физико-технического института (МФТИ), заместителя директора Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау (ИТФ РАН), д.ф.-м.н. Михаила Фейгельмана, его ученика Константина Тихонова (также работает в ИТФ РАН) и их коллег из Франции и Израиля.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics в ночь на понедельник по московскому времени.

Стойкий оловянный нанодиск

В ходе исследованного квантового фазового перехода речь идет о том, как основное (низкотемпературное) состояние системы меняется из сверхпроводящего в металлическое. Это происходит при изменении параметров, характеризующих взаимодействие элементов системы. Исследованная система представляет собой решетку из оловянных нанодисков (радиус одного такого диска составляет 200 нм), расположенных на подложке из графена — модификации углерода, которая представляет собой слой атомов углерода толщиной один атом (первые опыты с графеном проводили выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новоселов, за что в 2010 году они стали лауреатами Нобелевской премии по физике). Олово становится сверхпроводником при температурах меньших, чем T = 3,5 кельвина (почти -270°С).

Электрический контакт между оловянными нанодисками осуществляется за счет электронной проводимости графена. Наличие такого контакта, в частности, при температурах существенно ниже T 0 позволяет описывать состояние одного нанодиска всего лишь единственной переменной — фазой. По аналогии с фазой для колебательного процесса эта фаза может принимать значение от 0 до 2π.

Сверхпроводящее состояние устанавливается тогда, когда нанодиски принимают одинаковые фазы по всей решетке.

Ответственными за формирование сверхпроводимости являются так называемые джозефсоновские контакты. В общем виде этим термином называют соединение сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика, через который протекает сверхпроводящий ток. В случае с описываемой системой, которую исследовали российские ученые, джозефсоновские контакты образуют решетку, которая связывает нанодиски (сверхпроводники), между которыми происходит перенос пар электронов — куперовских пар. Самый распространенный механизм объяснения сверхпроводимости был предложен в 1957 году изобретателем транзистора Джоном Бардином вместе с Леоном Купером и Джоном Шриффером, по первым буквам фамилий ученых он получил название БКШ.

По БКШ, сверхпроводимость возникает вследствие объединения несущих ток электронов в пары, которое вызывается их взаимодействием с фононами.

Читайте так же:
С чем сочетать розетки

Эти пары и называются куперовскими.

Что удалось увидеть ученым

Изменяя напряжение на специальном электростатическом затворе, авторы эксперимента могли через графен плавно менять плотность электронов проводимости в нем и тем самым силу джозефсоновских контактов между нанодисками олова. При этом в силу малой плотности носителей тока сам графен не портил сверхпроводящие свойства и их фазы нанодисков олова. Но корреляции фаз между нанодисками и, следовательно, их сверхпроводимость разрушаются тепловыми флуктуациями при температурах выше критической температуры Tc. Один из результатов ученых — измеренное значение Tc, которое получилось равным 0,7 кельвина. Этот результат находится в хорошем согласии с ранее развитой теорией, опубликованной в 2009 году в статье Михаила Фейгельмана, Константина Тихонова и его коллег в журнале Solid State Communications.

Но стоило экспериментаторам понизить электронную плотность в графене, как джозефсоновские связи начали ослабевать за счет увеличения сопротивления графеновых промежутков. В результате температура перехода в когерентное (то есть сверхпроводящее) состояние резко падала ниже минимальной температуры эксперимента (60 милликельвинов). Это и есть квантовый фазовый переход «сверхпроводник — металл», о котором говорилось выше. Пространственная когерентность фаз отдельных нанодисков разрушилась уже одними квантовыми (и независящими от температуры) флуктуациями фаз.

Еще раз обратим внимание, что это первое экспериментальное исследование такого перехода.

Основы теории такого фазового перехода были ранее разработаны Михаилом Фейгельманом и его коллегами в статье, опубликованной в Physical Review Letters в 2001 году.

Но готовой теории для того, чтобы объяснить поведение сопротивления решетки, которое в области самых низких доступных для измерений температур оказывается резко экспоненциально зависящим от напряжения на электрическом затворе, пока нет.

Наконец, в дополнение к указанному выше переходу «сверхпроводник — металл» авторы обнаружили состояние так называемого сверхпроводящего стекла.

При слове «стекло» не нужно думать, что речь идет о том, что пропускает видимое глазу человека излучение: собственно, сейчас стеклом называется любой материал независимо от его химического состава, который при охлаждении переходит из жидкого состояния в твердое без кристаллизации.

В случае «сверхпроводящего стекла» речь идет о его свойствах системы, которая становится более похожа на керамику.

В описываемом эксперименте «сверхпроводящее стекло» возникло вследствие беспорядка и фрустрации в джозефсоновских связях. При этом оно отвечает какому-то из минимумов суммарной энергии джозефсоновских контактов. Здесь управляющим параметром является напряженность внешнего магнитного поля. Конкуренция периодической зависимости от величины потока внешнего магнитного поля через элементарную ячейку решетки нанодисков и случайной зависимости от этого же параметра (из-за мезоскопических флуктуаций) приводит к так называемой фазовой диаграмме возвратного типа. Это значит, что величина максимального сверхпроводящего тока, протекающего через всю решетку, немонотонно зависит от внешнего магнитного поля: сначала убывает (вплоть до нуля), а потом вновь проявляется с ростом магнитного поля в некотором интервале его значений.

Зачем это нужно

Безусловно, описанная выше работа носит чисто фундаментальный характер. Но в перспективе сверхпроводники смогут полностью изменить жизнь людей, так как они теоретически позволяют передавать электрический ток на любые расстояния без каких-либо потерь.

Это явление уже нашло широкое применение.

Например, в создании электромагнитов для ускорителей заряженных частиц (в том числе и на Большом адронном коллайдере) или в ядерно-резонансной томографии — одном из наиболее передовых методов диагностики в медицине.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector