Zjawiska takie jak podatność dielektryczna i przenikalność elektryczna występują nie tylko w fizyce, ale także w życiu codziennym. W związku z tym konieczne jest określenie znaczenia tych zjawisk w nauce, ich wpływu i zastosowania w życiu codziennym.
Określanie napięcia
Natężenie jest wielkością wektorową w fizyce, która jest obliczana na podstawie siły działającej na pojedynczy ładunek dodatni umieszczony w punkcie badanego pola. Po umieszczeniu dielektryka w zewnętrznym polu elektrostatycznym nabiera on momentu dipolowego, czyli zostaje spolaryzowany. Do ilościowego opisu polaryzacji w dielektryku stosuje się polaryzację - wektorowy wskaźnik fizyczny obliczany jako moment dipolowy wartości objętości dielektryka.
Wektor natężenia po przejściu przez powierzchnię między dwoma dielektrykami ulega nagłym zmianom, powodując zakłócenia podczas obliczania pól elektrostatycznych. W związku z tym wprowadzono dodatkową cechę - wektorprzemieszczenie elektryczne.
Korzystając z przenikalności elektrycznej, możesz dowiedzieć się, ile razy dielektryk może osłabić pole zewnętrzne. W celu jak najbardziej racjonalnego wyjaśnienia pól elektrostatycznych w dielektrykach stosuje się wektor przesunięcia elektrycznego.
Podstawowe definicje
Przenikalność bezwzględna ośrodka jest współczynnikiem zawartym w zapisie matematycznym prawa Coulomba i równaniu zależności pomiędzy natężeniem pola elektrycznego a indukcją elektryczną. Przenikalność absolutną można przedstawić jako iloczyn przenikalności względnej ośrodka i stałej elektrycznej.
Podatność dielektryczna, zwana polaryzowalnością substancji, to wielkość fizyczna, która może ulec polaryzacji pod wpływem pola elektrycznego. Jest to również współczynnik liniowego połączenia zewnętrznego pola elektrycznego z polaryzacją dielektryka w małym polu. Wzór na podatność dielektryczną zapisujemy jako: X=na.
W większości przypadków dielektryki mają dodatnią podatność dielektryczną, podczas gdy ta wartość jest bezwymiarowa.
Ferroelektryczność to zjawisko fizyczne występujące w pewnych kryształach, zwanych ferroelektrykami, w określonych temperaturach. Polega na pojawieniu się spontanicznej polaryzacji w krysztale nawet bez zewnętrznego pola elektrycznego. Różnica między ferroelektrykami a piroelektrykami wynosiże w pewnych zakresach temperatur zmienia się ich modyfikacja krystaliczna i zanika losowa polaryzacja.
Elektrycy w terenie nie zachowują się jak przewodnicy, ale mają wspólne cechy. Dielektryk różni się od przewodnika brakiem swobodnie naładowanych nośników. Są tam, ale w minimalnych ilościach. W przewodniku elektron poruszający się swobodnie w sieci krystalicznej metalu stanie się podobnym nośnikiem ładunku. Jednak elektrony w dielektryku są związane z własnymi atomami i nie mogą się łatwo poruszać. Po wprowadzeniu dielektryków do pola z elektrycznością pojawia się w nim elektryzacja, jak przewodnik. Różnica w stosunku do dielektryka polega na tym, że elektrony nie poruszają się swobodnie w całej objętości, jak to ma miejsce w przewodniku. Jednak pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego z wnętrza cząsteczki substancji powstaje nieznaczne przemieszczenie ładunków: dodatni przesunie się w kierunku pola, a ujemny odwrotnie.
Pod tym względem powierzchnia nabiera pewnego ładunku. Procedura pojawiania się ładunku na powierzchni substancji pod wpływem pól elektrycznych nazywana jest polaryzacją dielektryczną. Jeżeli w jednorodnym i niepolarnym dielektryku o określonym stężeniu cząsteczek wszystkie cząstki są takie same, to polaryzacja również będzie taka sama. A w przypadku podatności dielektrycznej dielektryka wartość ta będzie bezwymiarowa.
Opłaty związane
Ze względu na proces polaryzacji, w objętości substancji dielektrycznej, zwanej polaryzacją lub związaną, pojawiają się nieskompensowane ładunki. cząsteczki,posiadające te ładunki, są obecne w ładunkach cząsteczek i pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego są przemieszczane z pozycji równowagi bez opuszczania cząsteczki, w której się znajdują.
Ładunki związane charakteryzują się gęstością powierzchniową. Podatność dielektryczna i przepuszczalność ośrodka określa, ile razy siła wiązania dwóch ładunków elektrycznych w przestrzeni jest mniejsza niż ten sam wskaźnik w próżni.
Względna podatność na powietrze i przepuszczalność większości innych gazów w standardowych warunkach jest bliska jedności (ze względu na małą płaszczyznę). Względna podatność i przenikalność dielektryczna w ferroelektrykach wynosi dziesiątki i setki tysięcy na powierzchni separacji pary dielektryków o różnej przenikalności absolutnej i podatności substancji, a także równych składowych siły stycznej między nimi.
Wśród wielu praktycznych sytuacji ma miejsce spotkanie z przejściem prądu z ciała metalowego do otaczającego świata, podczas gdy przewodność właściwa tego ostatniego jest kilkakrotnie mniejsza niż przewodność tego ciała. Podobne sytuacje mogą mieć miejsce np. podczas przepływu prądu przez zakopane w ziemi metalowe elektrody. Często stosuje się elektrody stalowe. Jeśli zadaniem jest określenie podatności dielektrycznej szkła, to zadanie będzie nieco skomplikowane ze względu na fakt, że ta substancja ma właściwość rozluźniania jonów, dzięki czemu niewielkaspóźnienia.
Na granicy pary dielektryków o różnej przepuszczalności w obecności pola zewnętrznego pojawiają się ładunki polaryzacyjne o różnych indeksach i różnych gęstościach powierzchniowych. W ten sposób uzyskuje się nowy warunek załamania linii pola podczas przejścia z jednego dielektryka na inny.
Prawo załamania w przypadku linii prądu w swojej postaci można uznać za podobne do prawa załamania linii przemieszczeń na granicy dwóch dielektryków w polach elektrostatycznych.
Każde ciało i substancja otaczającego świata ma określone właściwości elektryczne. Powodem tego jest struktura molekularna i atomowa - obecność naładowanych cząstek, które są w stanie połączonym lub swobodnym.
Jeżeli na substancję nie ma wpływu pole zewnętrzne, wówczas takie części są umieszczane, równoważąc się wzajemnie, w całkowitej objętości, bez tworzenia dodatkowych pól elektrycznych. Jeśli nastąpi przyłożenie energii elektrycznej z zewnątrz, wewnątrz istniejących cząsteczek i atomów pojawi się redystrybucja ładunków, co doprowadzi do pojawienia się własnego pola wewnętrznego, które będzie skierowane na zewnątrz.
W przypadku oznaczania zastosowanego pola zewnętrznego jako E0 i wewnętrznego E', całe pole E będzie sumą tych wartości.
Wszystkie substancje w elektryczności są zwykle podzielone na:
- przewodniki;
- dielektryki.
Ta klasyfikacja istnieje od dawna, ale nie jest całkowicie dokładna, ponieważ nauka od dawna odkrywa ciała z nowymi lub połączonymiwłaściwości materii.
Przewodniki
Jako substancje przewodzące mogą być media, w których są darmowe opłaty. Metale są często uważane za takie kwestie, ponieważ ich struktura implikuje stałą obecność wolnych elektronów, które mogą poruszać się wewnątrz całej wnęki substancji. Podatność dielektryczna medium pozwala być uczestnikiem procesu termicznego
Jeśli przewodnik jest odizolowany od wpływu zewnętrznego pola elektrycznego, to w jego wnętrzu pojawia się równowaga między dodatnimi i ujemnymi ładunkami. Stan ten znika natychmiast, gdy w polu elektrycznym pojawia się przewodnik, który redystrybuuje swoją energią naładowane cząstki i powoduje pojawienie się niezrównoważonych ładunków o wartości dodatniej i ujemnej na powierzchni zewnętrznej
Zjawisko to nazywa się indukcją elektrostatyczną. Ładunki, które pojawiły się pod jego działaniem na powierzchni metalu, nazywane są ładunkami indukcyjnymi.
Ładunki indukcyjne, które powstały w przewodniku, tworzą własne pole, które kompensuje wpływ pola zewnętrznego wewnątrz przewodnika. W związku z tym wskaźnik całkowitego całkowitego pola elektrostatycznego zostanie skompensowany i równy 0. Potencjały każdego punktu wewnątrz i na zewnątrz są równe.
Ten wynik wskazuje, że wewnątrz przewodnika (nawet przy podłączonym polu zewnętrznym) nie ma różnicy potencjałów ani pola elektrostatycznego. Fakt ten jest wykorzystywany w ekranowaniu ze względu na zastosowaniemetoda ochrony elektrooptycznej człowieka i urządzeń elektrycznych wrażliwych na pola, w szczególności precyzyjnych przyrządów pomiarowych i techniki mikroprocesorowej.
Istnieje również związek między przenikalnością a podatnością. Można to jednak wyrazić za pomocą formuły. Zatem zależność między stałą dielektryczną a podatnością dielektryczną ma następującą notację: e=1+X.
Zasada ESD
Za pomocą ekranowania odzież i obuwie wykonane z materiałów o właściwościach przewodzących, w tym czapki, wykorzystywane są w energetyce dla bezpieczeństwa personelu pracującego w warunkach wysokiego napięcia wywołanego przez urządzenia wysokiego napięcia. Pole elektrostatyczne nie wnika do wnętrza przewodnika, ponieważ gdy przewodnik zostanie wprowadzony w pole elektryczne, zostanie ono skompensowane przez pole powstałe w wyniku ruchu swobodnych ładunków.
Dielektryki
Ta nazwa należy do substancji, które mają właściwości izolacyjne. Zawierają tylko wzajemnie połączone opłaty, a nie darmowe. Każda cząstka dodatnia w nich będzie połączona z ujemną wewnątrz atomu o wspólnym ładunku neutralnym bez swobodnego ruchu. Są one rozprowadzane od wewnątrz dielektryków i nie mogą zmieniać swojego położenia pod wpływem pól zewnętrznych. Jednocześnie podatność dielektryczna substancji i wynikająca z niej energia nadal pociągają za sobą pewne zmiany w strukturze substancji. Od wewnątrz atomu i cząsteczki stosunek się zmieniadodatnie i ujemne ładunki cząstki oraz dodatkowe niezrównoważone wzajemnie połączone ładunki pojawiają się na powierzchni substancji, tworząc wewnętrzne pole elektryczne. Skierowana jest na naprężenie przykładane z zewnątrz.
Zjawisko to nazywa się polaryzacją dielektryczną. Charakteryzuje się tym, że z wnętrza substancji powstaje pole elektryczne, wywołane wpływem energii zewnętrznej, ale osłabione przeciwdziałaniem pola wewnętrznego.
Rodzaje polaryzacji
Wewnątrz dielektryków może być reprezentowany przez dwa typy:
- orientacja;
- elektroniczny.
Pierwszy typ ma również dodatkową nazwę - polaryzacja dipolowa. Ta właściwość jest nieodłączna w dielektrykach z przesuniętymi centrami przy ładunku dodatnim i ujemnym, które tworzą cząsteczki z małych dipoli - neutralnej kombinacji pary ładunków. Zjawisko to jest typowe dla ciekłego siarkowodoru, niesionego azotu.
Bez wpływu zewnętrznego pola elektrycznego w tych substancjach, dipole molekularne są zorientowane losowo pod wpływem istniejących zmian temperatury, kiedy ładunek elektryczny nie pojawia się na zewnątrz dielektryka.
Ten obraz zmienia się pod wpływem energii przyłożonej z zewnątrz, kiedy dipole nie zmieniają zbytnio swojej orientacji i na powierzchni pojawiają się nieskompensowane makroskopowe ładunki związane, tworząc pole o przeciwnym kierunku do pola przyłożonego z zewnątrz.
polaryzacja elektroniczna, elastycznamechanizm
Zjawisko to występuje w dielektrykach niepolarnych - materiałach innego typu z cząsteczkami, w których nie ma momentu dipolowego, który pod wpływem pola zewnętrznego odkształca się tak, że w kierunek wektora pola zewnętrznego, a ładunki ujemne - w przeciwnym kierunku.
W rezultacie każda cząsteczka działa jako dipol elektryczny zorientowany wzdłuż osi przyłożonego pola zewnętrznego. W podobny sposób na zewnętrznej powierzchni pojawia się własne pole, które ma przeciwny kierunek.
Polaryzacja niepolarnego dielektryka
Dla tych substancji zmiana cząsteczek i późniejsza polaryzacja pod wpływem pola zewnętrznego nie jest zależna od ich ruchu pod wpływem temperatury. Metan CH4 może być używany jako niepolarny dielektryk. Wskaźniki numeryczne pola wewnętrznego dla obu dielektryków początkowo będą zmieniać się pod względem wielkości proporcjonalnie do zmiany pola zewnętrznego, a po nasyceniu pojawią się efekty typu nieliniowego. Pojawiają się one, gdy każdy dipol cząsteczkowy jest ustawiony wzdłuż linii sił w pobliżu dielektryków polarnych lub zachodzą zmiany w substancjach niepolarnych, spowodowane silnym odkształceniem atomów i molekuł pod wpływem dużej ilości energii przyłożonej z zewnątrz. W praktycznych przypadkach zdarza się to niezwykle rzadko.
Stała dielektryczna
Wśród materiałów izolacyjnych poważną rolę odgrywają wskaźniki elektryczne i taka cecha, jak stała dielektryczna. Oba są oceniane na podstawie dwóch różnych cech:
- wartość bezwzględna;
- wskaźnik względny.
Termin przenikalności absolutnej substancji odnosi się do matematycznego zapisu prawa Coulomba. Za jego pomocą związek między wektorem indukcyjnym a natężeniem opisany jest w postaci współczynnika.
