CC BY
13
УДК: 05.09.02
Закирова И.З. ассистент кафедры электротехники, электромеханики и электротехнологии
Маткосимов М. ассистент кафедры электротехники, электромеханики и электротехнологии Андижанский институт машиностроения ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ Аннотация: В данной статье рассматривается диэлектрики и их различие в электропроводности
Ключевые слова: Диэлектрики, электрическое поле, поляризация, металл, атом, заряд
Zakirova I.Z.
Matkosimov M.
Andijan Institute of Mechanical Engineering Assistants of the Department of Electrical Engineering Electromechanics and Electrotechnology ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF DIELECTRICIANS Abstract: This article discusses dielectrics and their difference in electrical conductivity.
Keywords: dielectrics, electric field, polarization, metal, atom, charge
Диэлектрики, вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «Диэлектрики» введён М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе, помещённом в электрическом поле, составляющие его электрические заряды испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, образуя электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов — электропроводность или поляризация — преобладает, принято деление веществ на изоляторы и проводники. Электропроводность Диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Их удельное сопротивление г порядка 108—1017 ом-см, а у металлов г ~ 10-6 — 10-4 ом-см. Существует и промежуточный класс — полупроводники, свойства которых определяются процессами как электропроводности, так и поляризации.
Различие в электропроводности Диэлектриков и металлов классическая физика объясняла тем, что в металлах есть свободные электроны, а в Диэлектриков все электроны связаны, так же принадлежат отдельным атомам, и электрическом поле не отрывает, а лишь слегка смещает их.
Фактически следует говорить не об отдельном электроне, связанном с ядром, а об электронном облаке, окружающем все ядра вещества.
Согласно зонной теории твёрдого тела, в кристалличный Диэлектрик при температуре Т=0К все ниже разрешённые энергетической зоны полностью заполнены электронами, а все вышележащие пусты.
полупроводники отличаются от диэлектриков лишь ширинои
В некоторых случаях приближение зонной теории оказывается недостаточным для решения вопроса о том, является вещество Диэлектриком или проводником. Взаимодействие электронов при определенных условиях приводит к тому, что вещество с незаполненной достаточно узкой разрешённой зоной является Диэлектриком.
Класс Диэлектриков охватывает большое количество веществ в твёрдом, жидком и газообразном состояниях. Твёрдыми Д. являются мн. кристаллы и аморфные вещества (стёкла, смолы). Все газы состоят в основном из нейтральных атомов и молекул и поэтому в обычных условиях не проводят электрич. тока, т. е. являются Д. С повышением темп-ры Т атомы и молекулы ионизируются и газ превращается в плазму.
В рамках макроскопич. теории, рассматривающей Д. как сплошную среду (континуальное приближение), для описания электрич. состояния Д. используется понятие плотности электрич. заряда : (г - пространств. координата точки), усреднённого по малому объёму, содержащему достаточно большое число атомов. Под действием внеш. электрич. поля в Д. возникает плотность заряда и в результате - дополнительное к внешнему электрич. поле. Для описания электрич. состояния Д. наряду с р удобно вводить вектор поляризации (электрич. дипольный момент единицы объёма
Д.) ^, связанный с Р соотношением:
Распределение плотности заряда и электрич. поля Е в Д. можно найти, решая систему Максвелла уравнений для статич. поля: сИV £= 4лр; го1 —О,
дополненную зависимостью (ур_ние состояния Д.).
Зависимость ' характеризует электрич. свойства Д. Она различна для
разных веществ и даже для разных образцов одного вещества, т. к. зависит от однородности, степени чистоты материала, содержания дефектов в нём и т. п.
Для большинства Д. в широком интервале полей ^ справедлива
линейная зависимость &от ^ , выражаемая для изотропных веществ и кубич. кристаллов соотношением:
В системе единиц СИ , где Ео=8,85*10"12 Ф/м. Коэф.
пропорциональности х ^ в соотношении (3) наз. диэлектрич. восприимчивостью Д. Вместо вектора ^ часто пользуются вектором , наз. электрической индукцией:
0 = гЕ=Е+4л<р (в СИ £) = е0£+5>-=ее0£). (2)
Величина наз. диэлектрической проницаемостью. Очевидно, что: е 1 | 4лх (вСИ е= 1 } н)
В вакууме х =0 и г 1 (в системе СГСЭ); для любого Д. € >1. Величины у- и е являются осн. характеристиками электрич. свойств Д. Сила
взаимодействия двух точечных электрич. зарядов, помещённых в безграничный Д., в раз слабее, чем для тех же зарядов в вакууме. Введение D не даёт дополнит. информации о поведении Д. в электрич. поле и целесообразно лишь для удобства записи ур-ний Максвелла.
Для анизотропных сред вместо (2) справедливо более общее соотношение: = , где е'* - тензор диэлектрич. проницаемости. Это симметричный тензор второго ранга определяемый шестью
величинами. В анизотропном Д. и ^ не параллельны друг другу, т. к. зависит от ориентации вектора ^ относительно осей симметрии кристалла.
В ограниченном Д., помещённом в однородное внеш. электрич. поле, поляризация и поле однородны лишь в том случае, когда образец имеет форму эллипсоида. В этом случае удаётся найти аналитически поле, обусловленное зарядами, возникшими при поляризации Д. Внутри эллипсоида это поле противоположно по направлению внеш. полю и наз. поэтому
деполяризующим. Его величина определяется по ф-ле ' ' , где Nik - тензор деполяризующих факторов. Для шара Nik сводится к скаляру:
Основная задача микроскопической теории Д.- расчёт е, исходя из
сведений о структуре вещества.
При помещении в электростатическое поле полярного диэлектрика, диполи переориентировываются таким образом, что вектор напряженности
Е внутреннего поля направлен в противоположную сторону относительно вектора напряженности внешнего поля Eo.
Поляризация приводит к ослаблению внешнего электрического поля в е раз, где е - диэлектрическая проницаемость
Аналогичным образом ведут себя кристаллические диэлектрики.
При помещении во внешнее поле неполярного диэлектрика у нейтральных молекул деформируются электронные облака, происходит электронная поляризация.
При помещении проводника все свободные заряды одного знака устремляются в одну сторону, заряды противоположного знака в противоположную сторону, это явление называется электростатической индукцией. Внутреннее поле, которое при этом образуется внутри проводника "гасит" внешнее поле.
Так как свободные заряды концентрируются по краям, а не во всем объеме вещества, как у диэлектриков, то внутри проводника отсутствует электростатическое поле. Напряженность внутри проводника равна нулю. Использование этого свойства называется электростатической защитой. Помещенные внутрь проводника тела не будут испытывать действие внешнего электростатического поля, проводник как бы ограждает.
Использованные источники:
1. Желудев И.С., Физика кристаллических диэлектриков, M., 1968
2. Киттель Ч., Введение в физику твёрдого тела, пер. с англ., M., 1978
3. Ашкрофт К, Mермин К, Физика твёрдого тела, пер. с англ., т. 2, M., 1979.
