Що таке ізотропний діелектрик - які речовини називають діелектриками - природничі науки

Діелектриками або ізоляторами є матеріали, які не проводять струм і відокремлюють один провідник від іншого. Обидва ці поняття відносяться до одного класу матеріалів, але мають різне походження і використовується в різних контекстах.

Поняття «діелектрик» найчастіше вживається у фізиці для позначення матеріалу, який не проводить електричний струм. Ізолятор - це засіб для ізоляції чого-небудь від іншої середовища. Ізоляторами в техніці як раз і є діелектрики.

Пластикове покриття на електричному шнурі є діелектриком. Скляні або керамічні пластини, які використовуються для підтримки ліній електропередач і оберігають їх від короткого замикання на землю, також є діелектриками. Досить багато неметалевих речовин, що застосовуються в різних пристроях, відносяться до діелектриків.

Різниця між металом і діелектриком полягає в тому, що у першого є вільні носії заряду. При впливі електромагнітного поля ці носії, або електрони, починають рухатися і тим самим передавати енергію. У діелектриків вільних електронів немає. Більш того, у такого типу речовин часто спостерігається нестача вільних частинок, що і робить їх ідеальними ізоляторами.

До одного з найбільш важливих властивостей діелектриків відноситься діелектрична проникність. Для природних матеріалів вона різна і може коливатися від одного так ста тисяч Фарад на метр. Чим більше діелектрична проникність, тим більший струм може ізолювати даний діелектрик. Останнім часом для виробництва ізоляторів стали застосовуватися нові типи речовин, які мають діелектричну проникність в десятки і сотні разів більше, ніж природні матеріали.

Ізотропним діелектриками називаються речовини, проникність яких не залежить від товщини шару матеріалу або напрямки протікання електричного струму. Ізоляція буде абсолютно однаково захищати від ураження електричним струмом при різній її товщині: від міліметра до метра. Низька діелектрична проникність робить такий матеріал невідповідним для захисту від струмів великої напруги. Однак, якщо струм, що проходить по провіднику, порівняно невеликий, то ізоляцію можна робити саме з такого матеріалу.

До переваг ізотропних діелектриків відносяться їх дешевизна і простота при виробництві. Також такі матеріали дуже легкі і тому часто застосовуються для ізоляції в побутових умовах при максимальній напрузі 360 Вольт.

Поляризація діелектрика - це явище виникнення зарядів під дією зовнішнього поля. Самі заряди, що з'являються при цьому, називають поляризаційними. Існує два типи діелектриків, а також механізмів їх поляризації.

Діелектрики і їх види

Діелектриками вважають речовини, які не проводять електричний струм. До них відносять багато чисті рідини, наприклад масла, бензини і дистильовану воду, а також кераміку, скло, суху деревину, кристали солей і гази під впливом несильних зовнішніх полів. Чіткої межі між провідниками і діелектриками немає, оскільки всі речовини в тій чи іншій мірі проводять електричний струм. Однак, якщо провідність виражена слабо, нею можна знехтувати і вважати речовина ідеальним ізолятором.

Під дією електричного поля заряди в діелектриках можуть зміщуватися тільки на незначну відстань, величина цього зміщення не перевищує розміри молекул і атомів. Дані зміщення призводять до появи індукованих зарядів, на відміну від провідників, такі заряди можуть виникати як на поверхні, так і всередині діелектрика.

Механізм поляризації неполярних діелектриків

До неполярних діелектриків відносять речовини, які складаються з атомів і молекул без власного дипольного моменту у відсутності поля. Це гази з симетричними двохатомними молекулами - водень, кисень і азот, пластмаси, органічні рідини і бензини. У них центри позитивних зарядів ядер збігаються з негативним зарядами електронних хмар.

Механізм поляризації неполярних діелектриків називають індукційним. Під дією зовнішнього поля центри зарядів зміщуються незначно, при цьому кожен атом набуває індукований дипольний момент. Його напрямок збігається з напрямком поля, а величина залежить від його напруженості.

Оскільки кожна молекула придбала дипольний момент, то весь діелектрик також його придбав. На відміну від провідників, в яких вплив поля характеризується величиною індукованих зарядів, важливим параметром діелектриків є дипольний момент одиниці об'єму - вектор поляризації.

Механізм поляризації полярних діелектриків

Молекули деяких речовин володіють власним дипольним моментом у відсутності зовнішнього електричного поля, такі діелектрики називають полярними. Електронні щільності в молекулах полярних діелектриків зміщені до одного з атомів, механізм поляризації тут інший. У відсутності зовнішнього поля дипольні моменти молекул орієнтовані хаотично, а їх сумарний момент дорівнює нулю.

Зовнішнє електричне поле впливає на обертовий момент кожної молекули, в результаті чого вони починають орієнтуватися так, що їх дипольний момент вибудовується уздовж вектора напруженості зовнішнього поля. Даний механізм поляризації називають орієнтаційний. При цьому діелектрик набуває індукований дипольний момент.