Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!
Sú látky, ktoré veľmi dobre vedú elektrický prúd, t.j. vodičov. Ich opakom sú dielektrika, čiže izolanty. Blokujú izolátory tok elektrického prúdu? Existujú situácie, v ktorých je možné prekonať odpor takýchto izolátorov a umožniť tok elektrického prúdu? Ako sa dielektrika správajú vo vonkajšom elektrickom poli? To všetko sa dozviete v tomto materiáli.
Čo je to dielektrikum?
Pojem dielektrika môžeme definovať pomocou odporu (rezistivity) tohto materiálu.Odpor ρ definujeme ako elektrický odpor vodiča z homogénneho materiálu s plochou prierezu S rovným jednému metru štvorcovému a dĺžkou l rovnajúcou sa jednému metru. V tomto článku však bude vhodnejšie uviesť odpor materiálu do vzťahu k sile elektrického poľa. Vo vnútri materiálu, ktorým preteká elektrický prúd hustoty j, sa nachádza pole sily E. Pre homogénny a izotropný materiál môžeme rezistivitu zapísať ako pomer hodnôt týchto dvoch vektorov:
ρ=E / j
V sústave SI je jednotka odporu Ohm na meter (Ohmm).
Odpor je konštantná hodnota, ktorá charakterizuje materiál. Čím vyššia je hodnota odporu, tým horšie materiál vedie elektrický prúd. Predpokladá sa, že odpor dielektrika je väčší ako 107Ohmm, zatiaľ čo dobré vodiče majú hodnotu odporu rádovo 10-8- 10-6 Ohmm.
Vodivosť je „prenos“ elektrických nábojov nosičmi. Medzi tieto nosiče patria elektróny. Napríklad v kovoch sa valenčné elektróny oddeľujú od jednotlivých atómov a pod vplyvom aplikovaného elektrického poľa sa pohybujú cez kov a nesú záporný náboj. Preto v kove prúdi elektrický prúd. Metal je dobrý dirigent.
Na druhej strane v izolátoroch sú náboje relatívne stacionárne.
Vzhľadom na to, že dielektrika majú veľmi vysoké hodnoty elektrického odporu (zvyčajne rádovo v giga ohmoch), musí sa použiť vysoké elektrické napätie rádovo gigavoltov, aby sa vytvoril čo i len malý prúd. Toto zničí dielektrikum.
Vidíme teda, že vedenie elektrického prúdu cez dielektrikum je nemožné.
Druhy dielektrík a ich vlastnosti
Dielektrika majú veľmi zaujímavé vlastnosti. Keď sú umiestnené vo vonkajšom elektrickom poli, podliehajú elektrickej polarizácii. V tomto prípade sa vo vnútri dielektrika vytvorí elektrické pole, ktoré je nasmerované opačne k vonkajšiemu poľu, ktoré spôsobilo polarizáciu.
Odkiaľ pochádza? Prečo sa vo vnútri dielektrika objavuje elektrické pole? Hľadajme odpoveď v molekulárnej štruktúre dielektrika.
Existujú dva typy dielektrika: polárne a nepolárne.
Polárne dielektriká sú dielektriká, ktorých molekuly sú permanentné dipóly. Dipól je usporiadanie dvoch rozdielnych elektrických nábojov rovnakej veľkosti q vo vzdialenosti l od seba.
Veličina charakterizujúca dipóly je dipólový moment ρ. Dipólový moment je definovaný ako súčin veľkosti náboja q a vektora l s hodnotou rovnajúcou sa vzdialenosti medzi nábojmi, smeru priamky spájajúcej náboje a návratu zo záporného náboja do kladného jedna:
ρ=ql
Ryža. 1. Schematický nákres elektrického dipólu
Jednotkou dipólového momentu je súčin coulombu a metra (Cm).
V polárnych dielektrikách majú molekuly svoj vlastný dipólový moment.
Príklady polárnych dielektrík sú kyselina chlorovodíková (HCl) s dipólovým momentom=3,7010-30Cm a voda (H2O) s dipólovým momentom=6,1510-30Cm.
Ryža. 2. Molekula vody ako dipól
Ak je takýto dipól umiestnený vo vonkajšom elektrickom poli o sile E, potom naň bude pôsobiť moment sily M:
M=ρE
Moment sily preto spôsobí rotáciu dipólu tak, že jeho os smeruje pozdĺž siločiary, ako je znázornené na obrázku 3.
Ryža. 3. Dipól umiestnený v elektrickom poli
Tento moment zmizne, keď sa vektory ρ a E stanú rovnobežnými.
Nepolárne dielektriká nemajú vlastný dipólový moment (ich dipólový moment je nulový).Hybnosť však môžeme získať umiestnením takéhoto atómu alebo molekuly do vonkajšieho elektrického poľa. V tomto prípade sú kladné náboje (jadrá) a záporné náboje (elektróny) oddelené.
Príklady nepolárnych dielektrík sú vodík (H2) a metán (CH4). Bez poľa majú nulový dipólový moment.
Existuje aj skupina dielektrík so špeciálnymi vlastnosťami. Medzi takéto dielektriká patria piezoelektriká, pyroelektriká a feroelektriká.
Piezoelektriká sú kryštály, v ktorých sa pri mechanickom namáhaní indukujú elektrické náboje. To znamená, že pod tlakom (alebo natiahnutím) môžeme generovať elektrické pole.
Príkladom piezoelektrika je kremeň. Piezoelektrika sa používajú ako elektroakustické meniče napríklad v reproduktoroch a ako iskriská v zapaľovačoch cigariet.
Pyroelektrika sú látky (zvyčajne kryštály), v ktorých dochádza k polarizácii pri zmene teploty, napríklad pri zahrievaní.
Príkladom pyroelektrika je triglycínsulfát. Pyroelektrika sú špeciálnym prípadom piezoelektrík. Pyroelektrikum je možné použiť v termovíznych matriciach.
Tretím typom dielektrika, o ktorom sa oplatí vedieť, sú feroelektriky. Feroelektriká získavajú dipólový moment umiestnením do vonkajšieho elektrického poľa, ale na rozdiel od iných dielektrík tento moment nezmizne, keď hodnota vonkajšieho poľa dosiahne nulu. Dipólový moment feroelektrika sa mení, ako je znázornené na obrázku nižšie - táto závislosť sa nazýva hysterézia (z gréckeho hysterézia - oneskorenie).
Ryža. 4. Zmena hysteréznej slučky v dipólovom momente feroelektrika v závislosti od sily vonkajšieho elektrického poľa
Na obr. 4 vidíme hysteréznu slučku, závislosť dipólového momentu p od intenzity poľa E. Na začiatku sú sila poľa a dipólový moment 0. S rastúcou intenzitou poľa sa zvyšuje aj hodnota dipólového momentu.
Potom hodnota elektrického poľa klesá - hodnota dipólového momentu tiež klesá, ale tento pokles je "oneskorený" , ako ukazuje krivka 2.
Keď je hodnota E opäť 0, hodnota dipólového momentu je pr(remanentná polarizácia). Dipólový moment dosiahne nulu len pre E=Ec smerujúce opačne k počiatočnému poľu. Po dosiahnutí minima sa hodnoty E a p opäť zvýšia, tentoraz v rámci hysterézie, indikovaná - 3.
Ferroelektrika je špeciálny prípad pyroelektrík.
Pokiaľ ide o stav agregácie, dielektrika sa rozlišujú:
- pevné - môže byť buď organické (ako parafín, papier, drevo alebo guma) alebo anorganické (ako porcelán, azbest alebo sklo)
- kvapalina (napr. minerálne, syntetické alebo silikónové oleje),
- plynné, ktoré sa často používajú v elektroizolačných systémoch (napríklad vzácne plyny - argón, hélium, neón; čpavok, vzduch, oxid uhličitý).