Диэлектрические тела. Диэлектрик - что такое? Свойства диэлектриков Тела изготовленные из диэлектриков

ОПРЕДЕЛЕНИЕ, НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Диэлектрики - вещества, в которых могут длительно существовать электростати­ческие поля. Эти материалы, в противоположность проводниковым, практически не про­водят электрический ток под действием приложенного к ним постоянного напряжения.

Назначение электрической изоляции сводится прежде всего к тому, чтобы препят­ствовать прохождению тока путями, нежелательными для работы электротехниче­ского устройства. Кроме того, диэлектрики в электрических устройствах, в частности конденсаторах, играют активную роль, обеспечивая емкость требующейся вели­чины.

Дипольными диэлектриками являются те, молекулы которых построены в прост­ранстве несимметрично; как правило, они имеют более высокую диэлектрическую проницаемость, чем нейтральные диэлектрики. Дипольные диэлектрики более гигроскопичны и легче смачиваются водой, чем нейтральные.

Диэлектрики разделяются также на гетерополярные (ионные), молекулы которых относительно легко расщепляются на противоположно заряженные части (ионы), и гомеополярные, не расщепляющиеся на ионы.

По химическому составу электроизоляционные материалы разделяются на органи­ческие, в состав которых входит углерод, и на неорганические, не содержащие угле­рода. Как правило, неорганические материалы имеют более высокую нагревостойкость , чем органические.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

По самому своему назначению диэлектрики под воздействием постоянного напря­жения совершенно не должны пропускать тока, т. е. должны быть непроводниками. Однако все практически применяемые электроизоляционные материалы при приложении постоянного напряжения пропускают некоторый незна­чительный ток, так называемый ток утечки. Таким образом, удельное сопротивление электроизоляционных материалов не бесконечно, хотя и весьма велико.

Сопротивление участка изоляции равно отношению приложенного к этому участ­ку изоляции постоянного напряжения U (в вольтах) к току утечки I (в амперах) через этот участок:

Проводимость изоляции

.

Различают объемное сопротивление изоляции R V , численно определяющее препят­ствие, создаваемое изоляцией прохождению тока сквозь ее толщу, и поверхностное сопротивление R S определяющее препятствие прохождению тока по поверхности изоля­ции и характеризующее наличие повышенной проводи­мости поверхностного слоя диэлектрика за счет увлажне­ния, загрязнения и т. п.

Полное сопротивление изоляции определяется как ре­зультирующее двух сопротивлений, включенных параллель­но между электродами, объемного и поверхностного:

Для плоского участка изоляции с поперечным сечением S [см 2 ] и толщиной h [см] объемное сопротивление (исключая влияние краев) равно:

.

Численно ρ V равно сопротивле­нию (в Омах) куба с ребром в 1 см из данного материала, если ток проходит через две противоположные грани куба:

.

1 Ом∙см = 10 4 Ом∙мм 2 /м = 10 6 мкОм∙см = 10 -2 Ом∙м.

Величина, обратная удельному объемному сопротивлению

,

называется удельной объемной проводимостью материала.

Значения ρ V практически применяемых твердых и жидких электроизоляционных материалов колеблются примерно от 10 8 -10 10 Ом∙см для сравнительно низко­качественных, применяемых в малоответственных случаях материалов (древесина, мрамор, асбестоцемент и пр.) до 10 16 -10 18 Ом∙см для таких материалов, как янтарь, полистирол, полиэтилен и др. Для неионизированных газов ρ V порядка 10 19 -10 20 Ом∙см. Отношение удельных сопротивлений высококачественного твердого диэлектрика и хорошего проводника (при нормальной температуре) выражается колоссальным числом - по­рядка 10 22 -10 24 .

Удельное поверхностное сопротивление ρ S характеризует свойство электро­изоляционного материала создавать в изготовленной из него изоляции по­верхностное сопротивление. Поверхностное сопротивление (пренебрегая влиянием краев) между электродами с параллельными друг другу прямыми кромками длиной b , находящимися друг от друга на расстоянии а , при исключении тока объемной утечки через толщу материала равно , где .

Величина ρ S численно равна сопротивлению квадрата (любого размера) на поверхности данного материала, сели ток подводится к электродам, ограничивающим две противо­положные стороны этого квадрата.

Физическая природа электро­проводности диэлектриков

Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них свободных (т. е. не связанных с определенными молекулами и могу­щих передвигаться под действием приложенного электрического поля) заряженных частиц: ионов, молионов (коллоидных частиц), иногда электронов.

Наиболее характерна для большей части электроизоляционных материалов ионная электропроводность. Следует отметить, что в ряде случаев электролизу подвергается основное вещество диэлектрика; примером может служить стекло, в ко­тором благодаря его прозрачности можно непосредственно наблюдать выделение про­дуктов электролиза. При пропускании постоянного тока через стекло, нагретое для понижения проводимости, у катода образуются характерные древовидные отложения («дендриты») входящих в состав стекла металлов, прежде всего натрия. Еще чаще наблюдаются такие случаи, когда молекулы основного вещества диэлектрика не облада­ют способностью легко ионизироваться, но ионная электропроводность имеет место за счет практически неизбежно присутствующих в диэлектрике загрязнений - примесей влаги, солей, кислот, щелочей и т. п. Даже весьма малые, иногда с трудом обнаруживаемые химическим анализом примеси способны заметно влиять на проводимость вещества; поэтому при изготовлении диэлектриков и вообще в технике электрической изоляции такое важное значение имеет чистота исходных продуктов и чистота рабочего места. У диэлектрика с ионным характером электропроводности строго соблюдается за­кон Фарадея, т. е. пропорциональность между количеством прошедшего через изоля­цию электричества (при постоянном токе) и количеством выделившегося при электро­лизе вещества.

При повышении температуры удельное сопротивление электроизоляционных материалов, как правило, сильно уменьшается. Очевидно, что условия работы электрической изоляции становятся при этом более тяжелы­ми. При низких температурах, наоборот, даже очень плохие диэлектрики приобрета­ют высокие значения ρ V .

Присутствие даже малых количеств воды способно значительно уменьшить ρ V диэлектрика. Это объясняется тем, что имеющиеся в воде примеси диссоциируют на ионы или же присутствие воды может способствовать диссоциации молекул самого вещества. Таким образом, условия работы электрической изоляции утяжеляются и при увлажнении. Весьма сильно влияет увлажнение на изменение ρ V волокнистых и некоторых других материалов, в которых влага может образовывать сплошные пленки вдоль волокон - «мостики», пронизывающие весь диэлектрик от одного электрода до дру­гого.

Гигроскопичные материалы для защиты от действия влаги после сушки пропиты­вают или покрывают негигроскопичными лаками, компаундами и т. п. При сушке электрической изоляции влага из нее удаляется, и сопротивление ее растет. Поэтому при повышении температуры ρ V увлажненного материала сначала может даже расти (если влияние удаления влаги перевешивает влияние повышения температуры), и только после удаления значительной части влаги начинается сниже­ние ρ V .

Сопротивление изоляции может уменьшаться с повышением напряжения, что имеет существенное практическое значение: измеряя сопротивление изо­ляции (машины, кабеля, конденсатора и т. п.) при напряжении, которое ниже рабочего, мы можем по­лучить завышенную величину сопротивления.

Зави­симость R из от величины напряжения объясняется рядом причин:

образованием в диэлектрике объем­ных зарядов;

плохим контактом между электродами и измеряемой изоляцией и др.

При достаточно больших напряженностях мо­жет происходить освобождение электронов силами электрического поля; создающаяся при этом доба­вочная электронная проводимость приводит к су­щественному увеличению общей электропроводности. Это явление предшествует развитию пробоя диэлек­трика.

При приложении к твердому диэлектрику постоянного напряжения в большинст­ве случаев ток постепенно спадает с течением времени, асимптотически прибли­жаясь к некоторой установившейся величине. Таким образом, постепенно проводи­мость диэлектрика возрастает, а сопротивление уменьшается. Изменение проводи­мости со временем связано с влиянием образования объемных зарядов, с процессами электролиза в диэлектрике и другими причинами.

Характер изменения удельного поверхностного сопротивления ρ S диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины напряжения, времени воздействия напряжения) сходен с характером изменения ρ V , рассмотренным выше. Величина ρ S гигроскопичных диэлектриков весьма чувствительна к увлажне­нию.

Поляризация диэлектриков

Важнейшим свойством диэлектриков является способность их под действием при­ложенного извне электрического напряжения поляризоваться. Поляризация сводится к изменению пространственного положения заряженных материальных частиц диэлектрика, причем диэлектрик приобретает наведенный электрический момент, и в нем образуется электрический заряд. Если мы рассматриваем некоторый участок изоляции с электродами, к которым подается напряжение U [В], то заряд этого участка Q [Кл] определяется выражением

Q = CU .

Здесь С есть емкость данного участка изоляции, измеряемая в фарадах (ф).

Емкость изоляции зависит как от материала (диэлектрика), так и от геометри­ческих размеров и конфигурации изоляции.

Способность данного диэлектрика образовывать электрическую емкость называет­ся его диэлектрической проницаемостью и обозначается ε . Вели­чина ε вакуума принимается за единицу.

Пусть С о - емкость вакуумного конденсатора произвольной формы и размеров. Если, не меняя размеров, формы и взаимного расположения обкладок конденсатора, заполнить пространство между его обкладками материалом с диэлектри­ческой проницаемостью ε , то емкость конденсатора увеличится и достигнет зна­чения

C = ε С о .

Таким образом, диэлектрическая проницаемость какого-либо вещества есть число, показывающее, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора, если, не меняя размеров и формы электродов конденсатора, заполнить пространство между электродами данным веществом. Емкость конденсатора данных геомет­рических размеров и формы прямо пропорциональна ε диэлектрика.

Величина диэлектрической проницаемости входит во многие основные уравнения электростатики. Так, по закону Кулона усилие взаимного отталкивания двух точечных электрических зарядов величиной Q 1 и Q 2 (абсолютных единиц заряда), расположен­ных в среде с диэлектрической проницаемостью ε на расстоянии друг от друга h [см], составляет:

Ди­электрическая проницаемость является величиной безразмерной. Для газов она весьма близка к 1. Так, для воздуха при нормальных условиях ε= 1,00058. Для большинства жидких и твердых электроизоляционных материалов ε – порядка нескольких единиц, реже десятков и весьма редко превышает 100. Некоторые вещества особого класса – сегнетоэлектрики - при определенных условиях обладают исключительно высокими значениями диэлектрической проницаемости.

Физическая сущность поляризации

Поляризация, как и проводимость, обусловлена передвижением в пространстве электрических зарядов. Различия этих двух явлений:

при поляризации имеет место смещение связанных с определенными молекулами зарядов, не могущих выходить за пределы данной молекулы, в то время как проводимость обусловлена движением (дрейфом) свободных зарядов, могущих перемещаться в диэлектрике на сравнительно большое расстояние;

смещение при поляризации – упругий сдвиг зарядов; по окончании действия приложенного к диэлектрику напряжения смещенные заряды имеют тенденцию к возвращению в исходные положения, что для проводимости не характерно;

поляризация однородного материала имеет место практически во всех моле­кулах диэлектрика, в то время как электропроводность диэлектриков часто обуслов­ливается наличием незначительного количества примесей (загрязнений).

В то время как ток проводимости существует все время, пока к диэлектрику при­ложено извне постоянное напряжение, ток смещения (емкостный ток) возникает лишь при включении или выключении постоянного напряжения или вообще при изменении величины приложенного напряжения; длительно существует емкостный ток только в диэлектрике, находящемся под воздействием переменного напряжения.

Наиболее типичные виды поляризации: электронная, ионная и дипольная.

Электронная поляризация - смещение орбит электронов относительно атомного ядра. Электронная поляризация при наложении внешнего электрического поля про­текает за чрезвычайно короткое время (порядка 10 -15 сек).

Ионная поляризация (у ионных диэлектриков) - смещение друг относительно друга ионов, составляющих молекулу. Эта поляризация протекает в сроки более длительные, чем электронная, но так же в весьма короткие - порядка 10 -13 сек.

Электронная и ионная поляризация - разновидности деформационной поляриза­ции, представляющей собой сдвиг друг относительно друга зарядов в направлении внешнего электрического поля.

Дипольная (ориентационная) поляризация сводится к повороту (ориентации) дипольных молекул вещества. Эта поляризация численно велика по сравнению с де­формационной и полностью протекает за промежутки времени, различные для молекул разных веществ, но значительно более длительные, чем продолжительность де­формационной поляризации.

Очевидно, что у нейтральных диэлектриков может иметь место лишь деформа­ционная поляризация. Эти диэлектрики имеют сравнительно малую диэлектрическую проницаемость (например, для жидких и твердых углеводородов ε порядка 1,9-2,8).

Таблица 1.1

Величина диэлектрической проницаемости некоторых веществ

Дипольные диэлектрики, у которых, помимо деформационной поляризации, наблю­дается и ориентационная поляризация, имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости по сравнению с нейтральными диэлектриками, причем у дипольных диэлектриков,например, для воды, ε = 82.

Диэлектрическая проницаемость дипольного вещества, вообще говоря, тем боль­ше, чем меньше размеры молекулы (или молекулярный вес). Так, весьма большое ε воды связано с очень малым размером ее молекулы.

Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты. Так как время установления деформационной поляризации весьма мало по сравнению с временем изменения знака напряжения даже при наиболее высоких частотах, применяемых в современной радиоэлектронике, поляризация нейтральных диэлектриков успевает установиться полностью за время, которым по сравнению с полупериодом переменного напряжения можно пренебречь. Поэтому практически существенной зависимости ε от частоты у нейтральных диэлектриков нет.

У дипольных диэлектриков при повышении частоты переменного напряжения величина ε сначала также остается неизменной, но начиная с некоторой критической частоты, когда поляризация не успевает полностью установиться за один полупериод, ε начинает снижаться, приближаясь при весьма высоких частотах к значениям, характерным для нейтральных диэлектриков; при повышении температуры критическая частота увеличивается.

В резко неоднородных диэлектриках, в частности в диэлектриках с вкраплениями воды, наблюдается явление так называемой междуслой ной поляризации. Междуслойная поляризация сводится к накоплению электрических зарядов на границах раздела диэлектриков (в случае увлажненного диэлектрика - на поверхности вкрапленной воды). Процессы установления междуслойной поляризации весьма медленны и могут протекать на протяжении минут и даже часов. Поэтому увеличение емкости изоляции вследствие увлажнения последней тем больше, чем меньше частота переменного напряжения, приложенного к изоляции.

Зав исимость диэлектрической проницаемости от температуры. У нейтральных диэлектриков ε слабо зависит от температуры, уменьшаясь при повышении последней вследствие теплового расширения вещества, т. е. уменьшения количества поляризующихся молекул в единице объема вещества.

У дипольных диэлектриков в области низких температур, когда вещество обладает большой вязкостью, ориентация дипольных молекул вдоль поля в большинстве случаев невозможна или во всяком случае затруднена. При повышении температуры и уменьшении вязкости возможность ориентации диполей облегчается, вследствие чего ε существенно возрастает. При высокой температуре вследствие усиления тепловых хаотических тепловых колебаний молекул степень упорядоченности ориента­ции молекул снижается, что вновь приводит к снижению ε .

У кристаллов с ионной поляризацией, стекол, фарфора и других видов керамики с большим содержанием стекловидной фазы, диэлектрическая проницаемость возрастает при повышении температуры.

Диэлектрик - это материал или вещество, которое практически не пропускает электрический ток. Такая проводимость получается вследствие небольшого количества электронов и ионов. Данные частицы образуются в не проводящем электрический ток материале только при достижении высоких температурных свойств. О том, что такое диэлектрик и пойдёт речь в этой статье.

Описание

Каждый электронный или радиотехнический проводник, полупроводник или заряженный диэлектрик пропускает через себя электрический ток, но особенность диэлектрика в том, что в нем даже при высоком напряжении свыше 550 В будет протекать ток малой величины. Электрический ток в диэлектрике - это движение заряженных частиц в определённом направлении (может быть положительным и отрицательным).

Виды токов

В основе электропроводимости диэлектриков лежат:

• Токи абсорбционные - ток, который протекает в диэлектрике при постоянном токе до тех пор, пока не достигнет состояния равновесия, изменяя направление при включении и подаче на него напряжения и при отключении. При переменном токе напряжённость в диэлектрике будет присутствовать в нём всё время, пока находится в действии электрического поля.
• Электронная электропроводность - перемещение электронов под действием поля.
• Ионная электропроводность - представляет собой движение ионов. Находится в растворах электролитов - соли, кислоты, щёлочь, а так же во многих диэлектриках.
• Молионная электропроводность - движение заряженных частиц, называемых молионами. Находится в коллоидных системах, эмульсиях и суспензиях. Явление движения молионов в электрическом поле называется электрофорезом.

Классифицируют по агрегатному состоянию и химической природе. Первые делятся на твёрдые, жидкостные, газообразные и затвердевающие. По химической природе делятся на органику, неорганику и элементоорганические материалы.

По агрегатному состоянию:

• Электропроводимость газов. У газообразных веществ достаточно малая проводимость тока. Он может возникать при наличии свободных заряженных частиц, что появляется из-за воздействия внешних и внутренних, электронных и ионных факторов: излучение рентгена и радиоактивного вида, соударение молекул и заряженных частиц, тепловые факторы.
• Электропроводимость жидкого диэлектрика. Факторы зависимости: структура молекулы, температура, примеси, присутствие крупных зарядов электронов и ионов. Электропроводимость жидких диэлектриков во многом зависит от наличия влаги и примесей. Проводимость электричества полярных веществ создаётся ещё при помощи жидкости с диссоциированными ионами. При сравнении полярных и неполярных жидкостей, явное преимущество в проводимости имеют первые. Если очистить жидкость от примесей, то это поспособствует уменьшению её проводимых свойств. При росте проводимости и его температуры возникает уменьшение её вязкости, приводящее к увеличению подвижности ионов.
• Твёрдые диэлектрики. Их электропроводимость обуславливается как перемещение заряженных частиц диэлектрика и примесей. В сильных полях электрического тока выявляется электропроводимость.

Физические свойства диэлектриков

При удельном сопротивлении материала равном меньше 10-5 Ом*м их можно отнести к проводникам. Если больше 108 Ом*м — к диэлектрикам. Возможны случаи, когда удельное сопротивление будет в разы больше сопротивления проводника. В интервале 10-5-108 Ом*м находится полупроводник. Металлический материал — отличный проводник электрического тока.

Из всей таблицы Менделеева только 25 элементов относятся к неметаллам, причём 12 из них, возможно, будут со свойствами полупроводника. Но, разумеется, кроме веществ таблицы, существует ещё множество сплавов, композиций или химических соединений со свойством проводника, полупроводника или диэлектрика. Исходя из этого, трудно провести определённую грань значений различных веществ с их сопротивлениями. Для примера, при пониженном температурном факторе полупроводник станет вести себя подобно диэлектрику.

Применение

Использование не проводящих электрический ток материалов очень обширно, ведь это один из популярно используемых классов электротехнических компонентов. Стало достаточно ясно, что их можно применять благодаря свойствам в активном и пассивном виде.

В пассивном виде свойства диэлектриков используют для применения в электроизоляционном материале.

В активном виде они используются в сегнетоэлектрике, а также в материалах для излучателей лазерной техники.

Основные диэлектрики

К часто встречающимся видам относятся:

• Стекло.
• Резина.
• Нефть.
• Асфальт.
• Фарфор.
• Кварц.
• Воздух.
• Алмаз.
• Чистая вода.
• Пластмасса.

Что такое диэлектрик жидкий?

Поляризация данного вида происходит в поле электрического тока. Жидкостные токонепроводящие вещества используются в технике для заливки или пропитки материалов. Есть 3 класса жидких диэлектриков:

Нефтяные масла - являются слабовязкими и в основном неполярными. Их часто используют в высоковольтных аппаратурах: высоковольтные воды. - это неполярный диэлектрик. Кабельное масло нашло применение в пропитке изоляционно-бумажных проводов с напряжением на них до 40 кВ, а также покрытий на основе металла с током больше 120 кВ. Масло трансформаторное по сравнению с конденсаторным имеет более чистую структуру. Данный вид диэлектрика получил широкое распространение в производстве, несмотря на большую себестоимость по сравнению с аналоговыми веществами и материалами.

Что такое диэлектрик синтетический? В настоящее время практически везде он запрещён из-за высокой токсичности, так как производится на основе хлорированного углерода. А жидкий диэлектрик, в основе которого кремний органический, является безопасным и экологически чистым. Данный вид не вызывает металлической ржавчины и имеет свойства малой гигроскопичности. Существует разжиженный диэлектрик, содержащий фторорганическое соединение, которое особо популярно из-за своей негорючести, термических свойств и окислительной стабильности.

И последний вид, это растительные масла. Они являются слабо полярными диэлектриками, к ним относятся льняное, касторовое, тунговое, конопляное. Касторовое масло является сильно нагреваемым и применяется в бумажных конденсаторах. Остальные масла - испаряемые. Выпаривание в них обуславливается не естественным испарением, а химической реакцией под названием полимеризация. Активно применяется в эмалях и красках.

Заключение

В статье было подробно рассмотрено, что такое диэлектрик. Были упомянуты различные виды и их свойства. Конечно, чтобы понять всю тонкость их характеристик, придётся более углубленно изучить раздел физики о них.

При изучении тепловых явлений говорилось, что по способности проводить теплоту вещества делятся на хорошие и плохие проводники тепла.

По способности передавать электрические заряды вещества также делятся на несколько классов: проводники, полупроводники и непроводники электричества.

Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Хорошие проводники электричества - это металлы, почва, вода с растворёнными в ней солями, кислотами или щелочами, графит. Тело человека также проводит электричество. Это можно обнаружить на опыте. Дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Листочки тотчас опустятся. Заряд с электроскопа уходит по нашему телу через пол комнаты в землю.

а - железо; б - графит

Из металлов лучшие проводники электричества - серебро, медь, алюминий.

Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Непроводниками электричества, или диэлектриками , являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шёлк, капрон, масла, воздух (газы). Изготовленные из диэлектриков тела называют изоляторами (от итал. изоляро - уединять).

а - янтарь; б - фарфор

Полупроводниками называют тела, которые по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

В природе полупроводники распространены достаточно широко. Это оксиды и сульфиды металлов, некоторые органические вещества и др. Наибольшее применение в технике нашли германий и кремний.

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток и являются диэлектриками. Однако при повышении температуры в полупроводнике начинает резко увеличиваться число носителей электрического заряда, и он становится проводником.

Почему это происходит? У полупроводников, таких как кремний и германий, в узлах кристаллической решётки атомы колеблются около своих положений равновесия, и уже при температуре 20 °С это движение становится настолько интенсивным, что химические связи между соседними атомами могут разорваться. При дальнейшем повышении температуры валентные электроны (электроны, находящиеся на внешней оболочке атома) атомов полупроводников становятся свободными, и под действием электрического поля в полупроводнике возникает электрический ток.

Характерной особенностью полупроводников является возрастание их проводимости с повышением температуры. У металлов же при повышении температуры проводимость уменьшается.

Способность полупроводников проводить электрический ток возникает также при воздействии на них света, потока быстрых частиц, введении примесей и др.

а - германий; б- кремний

Изменение электропроводности полупроводников под действием температуры позволило применять их в качестве термометров для замера температуры окружающей среды, широко применяют в технике. С его помощью контролируют и поддерживают температуру на определённом уровне.

Повышение электропроводности вещества под воздействием света носит название фотопроводимость . Основанные на этом явлении приборы называют фотосопротивлениями . Фотосопротивления применяются для сигнализации и в управлении производственными процессами на расстоянии, сортировке изделий. С их помощью в экстренных ситуациях автоматически останавливаются станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Благодаря удивительным свойствам полупроводников, они широко используются при создании транзисторов, тиристоров, полупроводниковых диодов, фоторезисторов и другой сложнейшей аппаратуры. Применение интегральных микросхем в теле-, радио- и компьютерных приборах позволяет создавать устройства небольших, а порой и ничтожно малых размеров.

Вопросы

1. На какие группы делят вещества по способности передавать электрические заряды?
2. Какой характерной особенностью обладают полупроводники?
3. Перечислите области применения полупроводниковых приборов.

Упражнение 22

1. Почему заряженный электроскоп разряжается, если его шарика коснуться рукой?
2. Почему стержень электроскопа изготавливают из металла?
3. К шарику незаряженного электроскопа подносят тело, заряженное положительно, не касаясь его. Какой заряд возникнет на листочках электроскопа?

Это любопытно...

Способность тела к электризации определяется наличием свободных зарядов. В полупроводниках концентрация носителей свободного заряда увеличивается с ростом температуры.

Проводимость, которая осуществляется свободными электронами (рис. 43), называется электронной проводимостью полупроводника или проводимостью n-типа (от лат. negativus - отрицательный). При отрыве электронов от атомов германия в местах разрыва образуются свободные места, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырки». В области образования дырки возникает избыточный положительный заряд. Вакантное место может быть занято другим электроном.

Электрон, перемещаясь в полупроводнике, создаёт возможность заполнения одних дырок и образования других. Возникновение новой дырки сопровождается появлением свободного электрона, т. е. идёт непрерывное образование пар электрон - дырка. В свою очередь, заполнение дырок приводит к уменьшению числа свободных электронов. Если кристалл поместить в электрическое поле, то будет происходить перемещение не только электронов, но и дырок. Направление перемещения дырок противоположно направлению движения электронов.

Проводимость, которая возникает в результате перемещения дырок в полупроводнике, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа (от лат. positivus - положительный). Полупроводники подразделяют на чистые полупроводники, примесные полупроводники n-типа, примесные полупроводники р-типа.

Чистые полупроводники обладают собственной проводимостью. В создании тока участвуют свободные заряды двух типов: отрицательные (электроны) и положительные (дырки). В чистом полупроводнике концентрация свободных электронов и дырок одинакова.

При введении в полупроводник примесей возникает примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно менять и число носителей заряда того или иного знака, т. е. создавать полупроводники с преимущественной концентрацией отрицательного или положительного заряда. Примесные полупроводники n-типа обладают электронной проводимостью. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными - дырки.

Примесные полупроводники р-типа обладают дырочной проводимостью. Основными носителями заряда являются дырки, а неосновными - электроны.

Представляет собой соединение полупроводников р- и л-типа. Сопротивление области контакта зависит от направления тока. Если диод включить в цепь, чтобы область кристалла с электронной проводимостью n-типа была подсоединена к положительному полюсу, а область с дырочной проводимостью р-типа к отрицательному полюсу, то тока в цепи не будет, так как переход электронов из n-области в р-область затрудняется.

Если р-область полупроводника подключить к положительному полюсу, а n-область к отрицательному, то в этом случае ток проходит через диод. За счёт диффузии основных носителей тока в чужой полупроводник в области контакта образуется двойной электрический слой, препятствующий движению зарядов. Внешнее поле, направленное от р к n, частично компенсирует действие этого слоя, и при увеличении напряжения ток быстро возрастает.

Проводник - это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля.
В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля.
Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных - хорошие проводники электрических зарядов.

Изолятор (или диэлектрик) - тело не содержащее внутри свободные электрические заряды.
В изоляторах электрический ток невозможен.
К диэлектрикам можно отнести - стекло, пластик, резину, картон, воздух. тела изготовленные из диэлектриков называют изоляторами.
Абсолютно непроводящая жидкость – дистиллированная, т.е. очищенная вода,
(любая другая вода (водопроводная или морская) содержит какое-то количество примесей и является проводником)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

В металле всегда существует большое количество свободных электронов.
Электрический ток в металлических проводниках - это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля, создаваемого источником тока.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ

Электрический ток могут проводить растворы солей и кислот, а также обычная вода (кроме дистиллированной).
Раствор, способный проводить электрический ток, называется электролитом.
В растворе молекулы растворяемого вещества под действием растворителя превращаются в положительные и отрицательные ионы. Ионы под действием приложенного к раствору электрического поля могут перемещаться: отрицательные ионы - к положительному электроду, положительные ионы – к отрицательному электроду.
В электролите возникает электрический ток.
При прохождении тока через электролит на электродах выделяются чистые вещества, содержавшиеся в растворе. Это явление называется электролизом
В результате действие электрического тока в электролите происходят необратимые химические изменения, и для дальнейшего поддержания электрического тока его необходимо заменить на новый.

ИНТЕРЕСНО

В 17 веке после того как Уильям Гильберт установил, что многие тела обладают способностью электризоваться при их натирании, в науке считалось, что все тела по отношению к электризации делятся на два вида: на способные электризоваться при трении, и на тела, не электризующиеся при трении.
Только в первой половине 18 века было установлено, что некоторые тела обладают, кроме того, способностью распространять электричество. Первые опыты в этом направлении были проведены английским физиком Греем. В 1729 г. Грей открыл явление электрической проводимости. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество не распространялось. Именно Грей разделил вещества на проводники и непроводники электричества. Только в 1739г. было окончательно установлено, что все тела следует делить на проводники и диэлектрики.
___

К началу 19 века стало известно, что разряд электрических рыб проходит через металлы, но не проходит через стекло и воздух.

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ

Гальваностегия.

Покрытие предметов слоем металла при помощи электролиза называется гальваностегией. Металлизировать можно не только металлические предметы, но и предметы из дерева, листья растений, кружева, мертвых насекомых. Сначала надо сделать эти предметы жесткими, а для этого подержать их некоторое время в расплавленном воске.
Затем равномерно покрыть слоем графита (например, потерев карандашным грифелем), чтобы сделать их проводящими и опустить в качестве электрода в гальваническую ванну с электролитом, пропуская через него некоторое время эл. ток. Через какое-то время на этом электроде выделится металл, содержащийся в растворе, и равномерно покроет предмет.

Археологические раскопки, относящиеся к временам Парфянского царства, позволяют допустить, что уже две тысячи лет тому назад производилось гальваническое золочение и серебрение изделий!
Об этом говорят и находки, сделанные в гробницах египетских фараонов.

ОПЫТЫ С ЭЛЕКТРОЛИТАМИ

1. Если взять раствор медного купороса, собрать электрическую цепь и опустить электроды (графитовые стержни от карандаша) в раствор, то лампочка загориться. Есть ток!
Повторите опыт, заменив электрод, соединенный с минусом батарейки на алюминиевую пуговицу. Через какое-то время она станет «золотой», т.е. покроется слоем меди. Это – явление гальваностегии.

2. Нам понадобятся: стакан с крепким раствором поваренной соли, батарейка от карманного фонарика, два кусочка медной проволоки длиной примерно 10 см. Зачистите концы проволоки мелкой наждачной шкуркой. Подсоедините к каждому полюсу батарейки по одному концу проволочек. Свободные концы проволочек опустите в стакан с раствором. Вблизи опущенных концов проволоки поднимаются пузырьки!

СДЕЛАЙ САМ!

1. Изготовьте измерительный прибор - тестер для определения, является ли вещество проводником электрического тока. Для этого нужны батарейка, лампа от карманного фонарика и соединительные провода. Замкните собранную электрическую цепь на исследуемый проводник и по наличию или отсутствию свечения лампы определите, является ли вещество проводником.

2. Продемонстрировать наличие свободных электрических зарядов в жидкости можно так: металлический чайник и алюминиевый стакан от калориметра соедините проводниками с гальванометром. В чайник налейте воду, в которой растворите немного соли. Начните тонкой струйкой переливать соленую воду из чайника в стакан, гальванометр покажет наличие электрического тока. Изменяя длину и толщину струи, проследите за изменением силы тока.

При устройстве заземления хорошо провод зарыть на глубину до 2,5 м. Однако в полевых условиях
сделать это не всегда представляется возможным. Поэтому заземление часто делают в виде штыря, забитого в землю. Почему в этом случае полезно место заземления полить соленой водой?

НЕЛЬЗЯ-Я-Я!

При возникновении пожара в электроустановках нужно немедленно отключить рубильник. Огонь, вызванный током, НЕЛЬЗЯ гасить водой или обычным огнетушителем, т.к. струя воды является проводником и может снова замкнуть цепь и восстановить причину пожара. В этом случае необходимо применять сухой песок или пескоструйный огнетушитель.

ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ ТЕЛО - ПРОВОДНИК ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Если случайно человек окажется под напряжением, то возможна травма или даже смерть.

При работе с электроцепями НЕЛЬЗЯ:
- нельзя одновременное двумя руками прикасаться к оголенным проводам.
- нельзя прикасаться к оголенному проводу, стоя на земле или на сыром (даже цементном или деревянном) полу.
- нельзя пользоваться неисправными электрическими приборами.
- нельзя ремонтировать электрический прибор, не отключив его от источника тока.

Первая помощь пораженному электрическим током.

Часто сам человек не может освободиться от проводов с током, т.к. электрический ток вызывает судорожное сокращение мышц, или пострадавший теряет сознание. Сначала надо отсоединить человека от токонесущих проводов. Для этого надо выключить ток или вывернуть предохранители, стоящие около счетчика. Если выключатель далеко, то надо деревянной палкой (непроводящим предметом) оттащить его от провода. Под ногами должен быть изолирующая поверхность: резиновый коврик, сухие доски или линолеум. Оттаскивать пострадавшего от проводов голыми руками можно только за концы сухой одежды и одной рукой. Нельзя касаться соединенных с землей. проводящих предметов!
Затем пострадавшего надо положить на спину и вызвать врача.

Не суй пальцы в розетку, они еще пригодятся!

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕЛА

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕЛА

иначе изоляторы, т. е. тела, не проводящие электричества, не проводник.

Полный словарь иностранных слов, вошедших в употребление в русском языке.- Попов М. , 1907 .

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕЛА

непроводящие электричество, изоляторы.

, 1907 .

ИЗОЛЯТОРЫ ИЛИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕЛА

вообще все тела, дурно проводящие электричество и служащая для изолирования проводников; в частности же этим именем называются стеклянные или фарфоровые стаканы, употр. на телеграфной линии для изолирования проволоки в местах прикрепления её к столбам.

Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка.- Павленков Ф. , 1907 .

Смотреть что такое "ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕЛА" в других словарях:

Название, данное Майклом Фарадеем телам, не проводящим, или, иначе, плохо проводящим электричество, как, напр., воздух, стекло, различные смолы, сера и т. д. Подобные тела называются также изоляторами. До исследований Фарадея, произведенных в 30… …

Название, данное Михаилом Фарадеем телам непроводящимили, иначе, дурно проводящим электричество, как, напр., воздух, стекло,различные смолы, сера и т. д. Подобные тела называются такжеизоляторами. До исследований Фарадея, произведенных в 30 х… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

Дурные проводники электричества и потому употребляемые для изолирования проводников. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ИЗОЛЯТОРЫ ИЛИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕЛА вообще все тела, дурно проводящие… … Словарь иностранных слов русского языка

Вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «Д.» (от греч. diá через и англ. electric электрический) введён М. Фарадеем (См. Фарадей) для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе,… … Большая советская энциклопедия

УЛЬТРАКОРОТКИЕ ВОЛНЫ - были впервые применены в терапии Шлипгаке (Schliephake). Переменные токи, применяемые в диатермии, характеризуются частотой от 800 000 до 1 млн. колебаний в секунду при длине волны в 300 400 м. В наст, время в терапию введены токи с частотой в 10 … Большая медицинская энциклопедия

электрический - 3.45 электрический [электронный, программируемый электронный]; Е/Е/РЕ (electrical/electronic/ programmable electronic; Е/Е/РЕ) основанный на электрической и/или электронной, и/или программируемой электронной технологии. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Один из отделов учения об электрических явлениях, заключающий в себе исследования распределения электричества, при условии равновесия его, на телах и определение тех электрических сил, какие возникают при этом. Основание Э. положили работы… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Классическая электродинамика … Википедия

Классическая электродинамика Магнитное поле соленоида Электричество · Магнетизм Электростатика Закон Кулона … Википедия

Книги

• Фундаментальные основы процессов химического осаждения пленок и структур для наноэлектроники , Коллектив авторов , В монографии представлены результаты развития процессов химического осаждения из газовой фазы металлических и диэлектрических пленок с использованием нетрадиционных летучих исходных… Категория: Техническая литература Серия: Интеграционные проекты СО РАН Издатель: ФГУП «Издательство СО РАН» , электронная книга (fb2, fb3, epub, mobi, pdf, html, pdb, lit, doc, rtf, txt)
• Физика твердого тела для инженеров Учебное пособие , Гуртов В. , Осауленко Р. , Учебное пособие представляет собой систематизированное и доступное изложение курса физики твердого тела, содержащее основные элементы физики конденсированногосостояния и ее приложения для… Категория: