Каковы особенности электризации диэлектриков кратко

Обновлено: 06.07.2024

Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E → включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E 0 → и внутреннее поле E ' → которое создается заряженными частицами вещества.

Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.

Проводники

Отличительная черта проводников заключается в наличии свободных зарядов (электронов), принимающих участие в тепловом движении и способных осуществлять перемещение по всему объему проводника. Типичным примером проводников служат металлы.

Если внешнее поле отсутствует, то в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд будет компенсироваться положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, который внесен в электрическое поле, произойдет перераспределение свободных зарядов, следствием чего будет возникновение на поверхности проводника нескомпенсированных положительных и отрицательных зарядов (рис. 1 . 5 . 1 ). Описанный процесс носит название электростатической индукции, а возникающие на поверхности проводника заряды называют индукционными зарядами.

Индукционными зарядами создается свое собственное поле E ' → и оно компенсирует внешнее поле E 0 → во всем объеме проводника: E → = E 0 → + E ' → = 0 (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника есть нуль, а потенциалы во всех точках являются одинаковыми и равными потенциалу на поверхности проводника.

Рисунок 1 . 5 . 1 . Электростатическая индукция.

Все внутренние области проводника, который внесен в электрическое поле, остаются электронейтральными. Удаление некоторого объема, выделенного внутри проводника, а соответственно образование пустой полости, приведет к тому, что электрическое поле внутри полости станет равным нулю. На этом основана электростатическая защита – приборы, имеющие чувствительность к электрическому полю в целях исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Рисунок 1 . 5 . 2 . Схема электростатической защиты. Поле в металлической полости равно нулю.

Поскольку поверхность проводника эквипотенциальна, необходимо, чтобы силовые линии у поверхности являлись перпендикуляром к ней.

Диэлектрики

Диэлектрики (изоляторы) отличаются от проводников тем, что не имеют свободных электрических зарядов. Диэлектрики включают в себя нейтральные атомы или молекулы. Заряженные частицы в нейтральном атоме являются связанными друг с другом и не имеют способности к перемещению под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

Внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле E 0 → вызовет возникновение в нем некоторого перераспределения зарядов, которые входят в состав атомов или молекул. Следствием этого перераспределения является появление на поверхности диэлектрического образца избыточных нескомпенсированных связанных зарядов. Все заряженные частицы, которые образуют макроскопические связанные заряды, все так же входят в состав своих атомов.

Связанные заряды образуют электрическое поле E ' → направленное внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности E 0 → внешнего поля: данный процесс носит название поляризации диэлектрика.

Вследствие поляризации полное электрическое поле E → = E 0 → + E ' → = 0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E 0 → .

Диэлектрическая проницаемость вещества – это физическая величина, которая есть отношение модуля напряженности E 0 → внешнего электрического поля, создаваемого в вакууме, к модулю напряженности E → полного поля в однородном диэлектрике.

Известно несколько механизмов поляризации диэлектриков: основные - это ориентационная и электронная поляризации. Проявление этих механизмов происходит в основном при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация появляется, когда полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых имеет место несовпадение центов распределения положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи.

Микроскопические электрические диполи – это нейтральная совокупность двух зарядов, являющихся равными по модулю и противоположными по знаку, расположенных на расстоянии друг от друга.

К примеру, дипольный момент имеет молекула воды, а также молекулы некоторых прочих диэлектриков ( H 2 S , N O 2 и т. д.).

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей по причине теплового движения имеют хаотичную ориентацию, в связи с чем на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем является равным нулю.

Если внести диэлектрик во внешнее поле E 0 → , возникнет частичная ориентация молекулярных диполей. Вследствие этого поверхность диэлектрика получит нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E ' → направленное навстречу внешнему полю E 0 → (рис. 1 . 5 . 3 ).

Рисунок 1 . 5 . 3 . Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Поляризация полярных диэлектриков обладает сильной зависимостью от температуры, поскольку тепловое движение молекул выступает в качестве дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм возникает при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не имеют при отсутствии внешнего поля дипольного момента. Электрическое поле, воздействуя на молекулы неполярных диэлектриков, вызывает их деформацию – положительные заряды смещаются в направлении вектора E 0 → а отрицательные – в противоположном направлении. В итоге каждая молекула становится электрическим диполем, ось которого имеет направление вдоль внешнего поля. Поверхность диэлектрика получает нескомпенсированные связанные заряды, которые создают свое поле E ' → имеющее направление навстречу внешнему полю E 0 → Таким образом происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1 . 5 . 4 ).

Деформация неполярных молекул, испытывающих влияние внешнего электрического поля, не имеет зависимости от теплового движения, т.е. поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры.

В качестве примера неполярной молекулы можно рассмотреть молекулу метана C H 4 , в которой четырехкратно ионизированный ион углерода C 4 – расположен в центре правильной пирамиды; в вершинах этой пирамиды - ионы водорода H + . Наложение внешнего электрического поля вызовет смещение иона углерода из центра пирамиды: в этом случае у молекулы возникнет дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Рисунок 1 . 5 . 4 . Поляризация неполярного диэлектрика.

В электрическом поле E ' → связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E 0 → . В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.

Эффект насыщения – это выстраивание всех молекулярных диполей вдоль силовых линий.

Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 10 10 – 10 12 В / м . При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

Электронная поляризация – это процесс поляризации, при котором непарные молекулы получают деформацию электронных оболочек.

Этот механизм универсален, так как деформация электронных оболочек под влиянием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

Ионная поляризация – это поляризация твердых кристаллических диэлектриков, следствием которой является смещение ионов различных знаков, составляющих кристаллическую решетку, в противоположных направлениях при воздействии внешнего поля. В результате смещения на гранях кристалла образуются связанные (нескомпенсированные) заряды.

В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла N a C l , в котором ионы N a + и C l – составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла N a C l является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки сместятся в противоположных направлениях, т. е. кристалл подвергнется процессу поляризации.

Когда происходит процесс поляризации неоднородного диэлектрика, связанные заряды могут появиться не только на поверхности, но и в объеме диэлектрика. В таком случае электрическое поле E ' → связанных зарядов и полное поле E → будут обладать сложной структурой, зависящей от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле _formula_ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E → точно верно лишь, когда речь идет об однородном диэлектрике, который заполняет все пространство, где создано внешнее поле. В частности:

В случае, когда в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q , напряженность электрического поля E → этого точечного заряда и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме. Запишем данное утверждение в виде формул:

Электризация связана с рядом условий: контактом поверхностей, образованием двойного электрического слоя и разделением контактируемых поверхностей, одна из которых должна быть диэлектриком.

Схема электрических явлений, протекающих при разделении поверхностей, поясняет сказанное и показана на рис.1.

Рис. .1. Схема электрических явлений при разделении поверхностей контакта

Разделению поверхностей способствует адгезия частиц на заряженных поверхностях. После разделения поверхностей контакта наблюдается рекомбинация зарядов за счет электропроводности и ионный процессов в газоразрядном промежутке. При малых скоростях разделения контактов и низких поверхностных сопротивлениях рекомбинация идет за счет электропроводности. При высоких поверхностных сопротивлениях – за счет газоразрядных процессов. Плотность зарядов на поверхностях _п после разделения определяется по формуле:

где _{с -} плотность заряда двойного электрического слоя до разделения поверхностей, к/м 2 ;

I _гр - ток, обусловленный газовым разрядом в зазоре, А;

I _ос - ток, обусловленный омическим сопротивлением поверхностей, А;

₁ и ₂ - время релаксации зарядов.

Электризация появляется при высоких скоростях и развитых поверхностях контакта (фильтровании, смешении, распылении, транспортировании по трубам – трубопроводы из прозрачного диэлектрического материала светятся)

С увеличением скорости разрушения контактов растет величина заряда, оставшегося на поверхностях после их разделения. Следовательно, чем интенсивнее ведется процесс, тем больший заряд останется на поверхности.

Пневмотранспортный трубопровод считается генератором зарядов на материале, а бункер и фильтр – разрядным устройством. Электризация частиц при их транспортировании в потоке происходит на начальном участке транспортирования, а затем заряд стабилизируется.

С явлением электризации жидкостей встречаются при обтекании твердых поверхностей жидкостями с низкой электропроводностью. Вследствие неравенства потенциалов в жидкой и твердой (стенках трубы) фазах на границе раздела образуется двойной электрический слой. Толщина слоя у жидкостей с электропроводностью 10 -6 Ом -1 м –1 и выше соизмерима с молекулярными размерами и может быть оценена по формуле:

где R- газовая постоянная - 1,31462 Дж/моль.град.

- относительная и абсолютная диэлектрическая проницаемость, равная 1,854*10 -12 ф/м;

С – концентрация ионов, моль/м 3 ; Z - валентность ионов; ф – число Фарадея – 96491,4 к/г.

При наличии разности потенциалов одни ионы адсорбируются на стенке трубы и разряжаются, другие – уносятся потоком и накапливаются в емкостях (аппаратах).

При переработке диэлектрических материалов (метод псевдоожиженного слоя, пневмотранспортирования) наблюдается образование статического электричества, которое способствует коагуляции мелкодисперсной (частицы – 3 мм) фазы, появлению искровых разрядов и даже нарушение процесса.

Эффект электризации зависит от скорости движения материалов, состояния поверхности контакта, вязкости материала, температуры и влажности окружающей среды, наличия примесей (чистые жидкости практически не электризуются), добавки, увеличивающие электропроводность снижают эффект электризации, коэффициента трения, диаметра труб и т.д.

Наибольшая электризация жидкостей проявляется при высоких скоростях, развитых поверхностях контакта, то есть при фильтровании, смешении, транспортировании по трубам, распылении и т.д. Электрические разряды между поверхностью жидкости и заземленными металлическими элементами оборудования в этих процессах можно наблюдать визуально. Трубопроводы из прозрачного диэлектрика даже светятся.

Эффект электризации жидкостей в сильной степени зависит от примесей, твердых частиц, воздуха или несмешивающихся жидкостей.

Пример: Человек, идущий по сухому паркету или сидящий на автомобильном сидении в сухую погоду, заряжается до 5000В. Иницирующие вещества воспламеняются, если человек, сидящий на деревянном стуле с лаковым покрытием приблизит к нему руки. Искровой заряд перекрывает промежуток 2-3 мин, а потенциал на человека достигает 20 кВт. Воспламенение происходит даже если пользоваться инструментом из дерева (так как дерево, насыщенное влагой, является проводником), от пластика воспламенения не наблюдается.

Течение жидкостей и паров через отверстия с большой скоростью вызывает сильную электризацию и искровые разряды. Добавка антистатиков (сажа до 20%) уменьшает электризацию и удельное сопротивление на 10-11 порядков.

Генерирование и разделение зарядов (кроме трубопровода) может происходить внутри конечной емкости при:

- разбрызгивании входящих потоков жидкости;

- разбрызгивании воды, находящейся на дне бака, входящих потоков;

- прохождении пузырей воздуха или газа через слой жидкости или сыпучего материала;

- всклубливании пыли в бункере;

- перемешивании жидкости или сыпучих материалов внутри контейнера.

XI. ЗАЩИТА ОТ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Процесс возникновения и накопления электрических зарядов в веществах называется электризацией.

Рис. .1. Схема электрических явлений при разделении поверхностей контакта

где _{с -} плотность заряда двойного электрического слоя до разделения поверхностей, к/м 2 ;

I _гр - ток, обусловленный газовым разрядом в зазоре, А;

I _ос - ток, обусловленный омическим сопротивлением поверхностей, А;

₁ и ₂ - время релаксации зарядов.

где R- газовая постоянная - 1,31462 Дж/моль.град.

- относительная и абсолютная диэлектрическая проницаемость, равная 1,854*10 -12 ф/м;

С – концентрация ионов, моль/м 3 ; Z - валентность ионов; ф – число Фарадея – 96491,4 к/г.

Генерирование и разделение зарядов (кроме трубопровода) может происходить внутри конечной емкости при:

- разбрызгивании входящих потоков жидкости;

- разбрызгивании воды, находящейся на дне бака, входящих потоков;

- прохождении пузырей воздуха или газа через слой жидкости или сыпучего материала;

Диэлектрики в электростатическом поле. Механизм поляризации диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость

Электризация проводников и диэлектриков во внешнем электрическом поле существенно отличается друг от друга: индуцированные заряды на поверхности проводников возникают в результате перемещения свободных зарядов во внешнем поле, в то время как в диэлектрике нет свободных зарядов, способных перемещаться под действием поля.

Электризацию диэлектриков называют поляризацией. Механизм ее заключается в перераспределении зарядов внутри нейтральных атомов и молекул под действием поля, либо в поворотах диполей в полярных диэлектриках, либо смещением подрешеток в пространстве в кристаллическом диэлектрике. Дело в том, что кристаллические решетки многих ионных диэлектриков типа NaCl можно считать состоящими из двух вставленных одна в другую подрешеток, каждая из которых образована ионами одного знака. Во внешнем электрическом поле и происходит смещение этих подрешеток.

Все диэлектрики можно условно разделить на три группы: полярные, неполярные и ионные.

Неполярные диэлектрики состоят из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов (рис. 1, б) совпадают (инертные газы, кислород, бензол, водород и др.).

Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают (рис. 1, а) (спирт, вода и др.). В качестве модели молекулы полярного диэлектрика используются электрические диполи — система двух равных по модулю и противоположных по знаку точечных зарядов, находящихся на расстоянии l друг от друга (рис. 2, а). Тепловое движение молекул приводит к хаотической ориентации диполей. Из-за этого на поверхности диэлектрика, а также и в любом его объеме, содержащем большое число молекул (рис. 3, а), электрический заряд в среднем равен нулю.

Поместим теперь диэлектрик в однородное электростатическое поле между двумя параллельными металлическими пластинами. Со стороны поля на каждый электрический диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю и противоположные по направлению (рис. 2, б). Они создают момент пары сил, стремящийся повернуть диполь так, чтобы ось его была направлена по линиям напряженности поля (рис. 2, в). Положительные заряды смещаются при этом в направлении электростатического поля, а отрицательные — в противоположную сторону.

Хаотическое тепловое движение молекул препятствует созданию упорядоченной ориентации всех диполей. Только при абсолютном нуле все диполи выстроились бы вдоль линий напряженности. Под влиянием поля происходит лишь частичная ориентация электрических диполей. Это означает, что в среднем число диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем число диполей, ориентированных противоположно полю. На рис. 3, б видно: у положительной пластины на поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а у отрицательно заряженной — положительные. В результате на поверхности диэлектрика возникает нескомпенсированный связанный заряд. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды диполей компенсируют друг друга и средний связанный электрический заряд по-прежнему равен нулю.

Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поляризуется. Под действием поля положительные и отрицательные заряды молекулы смещаются в противоположные стороны и центры распределения положительного и отрицательного зарядов перестают совпадать, как и у полярной молекулы. Такие деформированные молекулы можно рассматривать как электрические диполи, оси которых направлены вдоль поля. На поверхностях диэлектрика, примыкающих к заряженным пластинам, появляются связанные заряды, как и при поляризации полярного диэлектрика.

Связанный заряд создает электростатическое поле напряженностью \(~\vec E_1\), направленной в диэлектрике против напряженности внешнего поля зарядов на пластинах (рис. 4). Поэтому поле внутри диэлектрика ослабляется. Напряженность результирующего электростатического поля

\(~\vec E = \vec E_0 + \vec E_1\) или \(~E = E_0 - E_1 .\)

Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика. Для характеристики электрических свойств диэлектриков вводится особая величина, называемая диэлектрической проницаемостью.

Диэлектрическая проницаемость ε — это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности электростатического поля Ε внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряженности поля E₀ в вакууме, созданного теми же зарядами:

Литература

Очень многие школьники и студенты не любят физику из-за большого количества заумных слов и странных формул. Одной из таких загадочный тем становятся диэлектрика. Что это, где она применяется и зачем вообще нужна? Дети никак не могут понять, а учителя нормально не объясняют важную информацию. Именно поэтому сегодня я, учитель физики, хочу помочь студентам и школьникам в изучении диэлектрики.

Диэлектрики или изоляторы – это вещества, которые немного или вообще не проводят ток. К ним можно отнести все неприводимое: воздух, газы, древесину, стекло, пластмассу и многое другое. Они применяются во многих технологиях и машинах, позволяют ограничить распространение тока.

Возьмем, например, пластик. Если мы поместим небольшой кусок в электризованную среду, то заметим необычное явление: он начнет притягиваться к положительным или отрицательным зарядам. Но как только мы выключим поле, все прекратится. Пластик перестанет притягиваться и останется на месте.

Собственно, этот эксперимент и показывает, что изоляторы не могут переводить ток, а являются для него некой преградой, которая мешает ему, распространится дальше. И если даже электричество проходит, то в минимальных, безвредных количествах.

Иногда происходит очень сильная путаница со свойствами диэлектриков. Многие дают им бесполезные и невозможные функции, которые никогда не встречались у этих материалов, или, наоборот, – убирают. Сейчас я кратко и быстро расскажу вам о всех свойствах диэлектриков.

Свойства диэлектриков

Водонепроницаемость

Твердые диэлектрики могут мешать проникновению влаги внутрь. Благодаря этому свойству их часто используют для уличного оборудования. Причем это относится не только к воде, но и прочим жидкостям, например, напиткам, сокам, молоку и так далее.

Теплозащита

Диэлектрики отлично переносят сильные температуры. Например, не зря их использую в космосе, где полоска термометра бывает ниже -90°C. Именно поэтому диэлектрики – отличный помощник в сильные морозы и жаркие дни.

Сдерживаемость радиации

Диэлектрики не пропускают радиацию, щелочи и кислотные вещества. Это очень важно, при возникновении утечки на станциях и заводах, где есть опасные химические элементы. Изоляторы, без какого-либо преувеличения, могут спасти тысячи людей от смерти.

Поляризация

Удивительное свойство, которое присутствует исключительно у диэлектриков. Благодаря ему неприводимые материалы могут притягиваться к проводимым и тем самым создавать целую цепь. Это свойство используется повсеместно, почти во всех технологиях и машинах.

Ослабление внешнего поля

Диэлектрики помогают сделать внешнее давление более слабым и тем самым безопасным. Они контролируют поле и помогают его использовать в различных целях. Очень важное свойство, позволяющее сделать работу более безопасной.

Виды диэлектриков

У многих школьников или студентом возникает сильная путаница с классификацией диэлектриков. Они просто не понимают, какие есть группы и на что они делятся. Сейчас я попытаюсь вам понятно все объяснить, чтобы, прочитав один раз, вы поняли навсегда.

Классификация по агрегатному состоянию

По агрегатному состоянию выделяется три основных вида диэлектриков:

твердые – это стекло, пластик, керамика и подобные вещества. Они используются в специализированных станциях и заводах, позволяют ограничить распространение тока и сделать среду более безопасной для окружающих;
жидкие – это масла, спреи, дистиллированная вода, которые снабжаются в различных машинах и технологиях. Например, это трансформаторы, которые просто не могут работать без изоляторов;
газовые – к этому типу относятся исключительно азот, который чаще всего используют для того, чтобы понизить их температуру. Это позволяет обезопасить технику от сильного перегрева и возможного взрыва.

Классификация по происхождению

По происхождения изоляторы бывают органическими и неорганическими:

органические – это диэлектрики, которые добываются в окружающей среде и были созданные не под влиянием человека. Они используются крайне редко, из-за их малого количества свойств;
неорганические – эти изоляторы создаются самими людьми и чаще всего используются в производстве и деятельности. Они отлично останавливают ток и блокируют его распространение.

Способы применения

Многие мои ученики думают, что диэлектрики применяются везде, где есть хоть какие-либо технологии, в каждой машине и приборе. Но это ошибочное мнение, потому что они используются исключительно в тех случаях, когда необходимо ограничить распространение электрического тока и обезопасить окружающую среду.

У диэлектриков есть большое количество способов применения. Например, жидкие непереводные вещи используются в создании разных видов масел, которые применяются в транспортных средствах, помогают укрепить промышленные детали и сделать электроизоляцию.

Газовые диэлектрики – это азот. Его применение очень широко. Многие используют азот для охлаждения промышленных приспособлений или химических смесей, а во многих печках он помогает избежать сильной газовой протечки, а также часто применяется в высокоточных переключателях. Их можно встретить в каждом доме, в котором присутствуют какие-либо газовые приборы.

Огромное спектр применения у твердых диэлектриков. Например, они применяются в проводах, электронных машинах, на станциях и так далее. Эти компоненты используются даже в космосе для поддержки кораблей. Твердые диэлектрики более практичные и многофункциональные, чем прочие агрегатные компоненты, вследствие этого их можно встретить намного чаще.

Диэлектрики есть везде, даже в вашем доме. Посмотрите на свои провода, электронные приборы и считок. Везде есть диэлектрики, которые позволяют приостановить продвижения тока и тем самым ограничить его воздействие на людей. Это очень важный компонент, без которого не смогло бы существовать половина приборов и машин.

Читайте также: