Dielectricitate - Hypertextbook-ul de fizică

Discuţie

ideea de bază

sunt izolatori, simpli și simpli. Cele două cuvinte se referă la aceeași clasă de materiale, dar sunt de origine diferită și sunt utilizate preferențial în contexte diferite.

Deoarece sarcinile tind să nu se miște ușor în solidele nemetalice, este posibil să existe „insule” de încărcare în sticlă, ceramică și materiale plastice. Cuvântul latin pentru insulă este insula, care este originea cuvântului izolator. În schimb, încărcăturile din solidele metalice tind să se miște ușor - ca și cum cineva sau ceva le-ar conduce. Prefixul latin con sau com înseamnă „cu”. O persoană cu care ai pâine este un tovarăș. (Cuvântul latin pentru pâine este panis.) A lua ceva cu tine pe drum înseamnă a-l transmite. (Cuvântul latin pentru drum este prin intermediul.) Persoana cu care călătoriți care conduce sau oferă un pasaj sigur este un conductor. (Cuvântul latin pentru lider este ductor.) Un material care asigură trecerea sigură a încărcăturilor electrice este un conductor.
Introducerea unui strat de solid nemetalic între plăcile unui condensator crește capacitatea acestuia. Prefixul grecesc di sau dia înseamnă „peste”. O linie peste unghiurile unui dreptunghi este o diagonală. (Cuvântul grecesc pentru unghi este gonia - γωνία.) Măsurarea pe un cerc este un diametru. (Cuvântul grecesc pentru măsură este metron - μέτρον.) Materialul plasat pe plăcile unui condensator ca un mic pod neconductor este un dielectric.

Acoperirea din plastic a unui cablu electric este un izolator. Plăcile din sticlă sau ceramică utilizate pentru susținerea liniilor electrice și pentru a le împiedica să se scurteze la sol sunt izolatoare. Aproape oricând un solid nemetalic este utilizat într-un dispozitiv electric numit izolator. Poate că singura dată când se folosește cuvântul dielectric se referă la stratul neconductor al unui condensator.

Dielectricele din condensatori au trei scopuri:

pentru a împiedica contactul plăcilor conductoare, permițând separări mai mici ale plăcilor și, prin urmare, capacități mai mari;
pentru a crește capacitatea efectivă prin reducerea intensității câmpului electric, ceea ce înseamnă că obțineți aceeași încărcare la o tensiune mai mică; și
pentru a reduce posibilitatea scurtcircuitării prin scânteiere (mai cunoscută formal ca defecțiune dielectrică) în timpul funcționării la tensiune înaltă.

ce se petrece aici

Când un metal este plasat într-un câmp electric, electronii liberi curg împotriva câmpului până când rămân fără materialul conductor. În cel mai scurt timp, vom avea un exces de electroni pe o parte și un deficit pe cealaltă. O parte a conductorului a fost încărcată negativ, iar cealaltă încărcată pozitiv. Eliberați câmpul și electronii din partea încărcată negativ se găsesc acum prea aproape pentru confort. Ca și sarcinile se resping și electronii fug unul de celălalt cât de repede pot până când sunt distribuiți uniform; un electron pentru fiecare proton în medie în spațiul care înconjoară fiecare atom. Un electron conducător într-un metal este ca un câine de curse îngrădit într-o pășune. Sunt liberi să se plimbe cât de mult doresc și pot parcurge întreaga lungime, lățime și adâncime a metalului din capriciu.

Viața este mult mai restrictivă pentru un electron dintr-un izolator. Prin definiție, încărcăturile dintr-un izolator nu sunt libere să se miște. Nu este același lucru cu a spune că nu se pot mișca. Un electron dintr-un izolator este ca un câine de pază legat de un copac - liber să se miște, dar în limite. Așezarea electronilor unui izolator în prezența unui câmp electric este ca și cum ai pune un câine legat în prezența unui poștaș. Electronii se vor tensiona împotriva câmpului cât pot, în același mod în care ipoteticul nostru câine se va tensiona de lesa sa cât poate. Cu toate acestea, electronii la scara atomică sunt mai mult norosi decât câini. Electronul este răspândit efectiv pe întregul volum al unui atom și nu este concentrat într-o singură locație. Un câine atomic bun nu s-ar numi Spot, presupun.

Când atomii sau moleculele unui dielectric sunt plasate într-un câmp electric extern, nucleele sunt împinse cu câmpul rezultând o sarcină pozitivă crescută pe o parte, în timp ce norii de electroni sunt trageți împotriva acesteia rezultând o sarcină negativă crescută pe cealaltă parte . Acest proces este cunoscut sub numele de și se spune că este un material dielectric într-o astfel de stare. Există două metode principale prin care un dielectric poate fi polarizat: întinderea și rotația.

un atom sau o moleculă are ca rezultat o adăugare la fiecare atom sau moleculă.

apare numai în moleculele polare - cele cu o moleculă de apă similară cu cea prezentată în diagrama de mai jos.

Moleculele polare polarizează în general mai puternic decât moleculele nepolare. Apa (o moleculă polară) are o rezistență dielectrică de 80 de ori mai mare decât cea a azotului (o moleculă nepolară care este componenta principală a aerului). Acest lucru se întâmplă din două motive - dintre care unul este de obicei banal. În primul rând, toate moleculele se întind într-un câmp electric, indiferent dacă se rotesc sau nu. Moleculele și atomii nepolari se întind, în timp ce moleculele polare se întind și se rotesc. Cu toate acestea, această combinație de acțiuni are un efect mic asupra gradului general în care o substanță se va polariza. Ceea ce este mai important este că moleculele polare sunt deja puternic întinse - în mod natural. Modul în care atomii de hidrogen se așează pe brațele norilor de electroni ai unui atom de oxigen distorsionează molecula într-un dipol. Toate acestea au loc la scară interatomică sau moleculară. La astfel de mici separări, puterea câmpului electric este relativ imensă pentru ceea ce altfel ar fi o tensiune neremarcabilă (13,6 V pentru un electron dintr-un atom de hidrogen, de exemplu).

Întinderea și rotația nu sunt sfârșitul poveștii când vine vorba de polarizare. Ele sunt doar cele mai simple metode de descris observatorului ocazional. În general, polarizarea unui material dielectric este o solicitare electrostatică microscopică ca răspuns la o solicitare electrostatică macroscopică. Un câmp extern aplicat unui dielectric nu poate face sarcinile să se miște macroscopic, dar le poate întinde și distorsiona microscopic. Îi poate împinge în poziții incomode și, atunci când este eliberat, le permite să cadă înapoi într-o stare relaxată. Lucrul care face polarizarea într-un izolator diferită de întinderea unui corp elastic ca un arc este că eliminarea stresului nu eliberează neapărat tensiunea. Unii izolatori vor rămâne în starea lor polarizată ore, zile, ani sau chiar secole. Cele mai lungi perioade caracteristice trebuie să fie extrapolate din observații incomplete cu o durată mai rezonabilă. Nimeni nu va sta aici și va aștepta două mii de ani pentru a vedea polarizarea unei bucăți de plastic scăzând la zero. Nu merită să aștepți.