Тела изготовленные из диэлектриков. Активные диэлектрики. Физические свойства диэлектриков

электризация тел.

2. Электризация тел.

Эти явления были обнаружены еще в глубокой древности. Древнегреческие ученые заметили, что янтарь (окаменевшая смола хвойных деревьев, которые росли на Земле много сотен тысяч лет назад) при натирании его шерстью начинает притягивать к себе различные тела. По-гречески янтарь - электрон, отсюда произошло название “электричество”.

Про тело, которое после натирания притягивает к себе другие тела, говорят, что оно наэлектризовано или что ему сообщен электрический заряд.

Электризоваться могут тела, сделанные из разных веществ. Легко наэлектризовать натиранием о шерсть палочки из резины, серы, эбонита, пластмассы, капрона.

Электризация тел происходит при соприкосновении и последующем разделении тел. Трут тела друг о друга лишь для того, чтобы увеличить площадь их соприкосновения.

В электризации всегда участвуют два тела: в рассмотренных выше опытах стеклянная палочка соприкасалась с листом бумаги, кусочек янтаря - с мехом или шерстью, палочка из плексигласа - с шелком. При этом электризуются оба тела. Например, при соприкосновении стеклянной палочки и куска резины электризуются и стекло, и резина. Резина, как и стекло начинает притягивать к себе легкие тела.

Электрический заряд можно передать от одного тела к другому. Для этого нужно коснуться наэлектризованным телом другого тела, и тогда часть электрического заряда перейдет на него. Чтобы убедиться, что и второе тело наэлектризовано, нужно поднести к нему мелкие листочки бумаги и посмотреть, будут ли они притягиваться.

3. Два рода зарядов. Взаимодействие заряженных тел.

Все электризованные тела притягивают к себе другие тела, например листочки бумаги. По притяжению тел нельзя отличить электрический заряд стеклянной палочки, потертой о шелк, от заряда, полученного на эбонитовой палочке, потертая о них. Ведь обе наэлектризованные палочки притягивают листочки бумаги.

Означает ли это, что заряды, полученные на телах, сделанных из различных веществ, ничем не отличаются друг от друга?

Обратимся к опытам. Наэлектризуем эбонитовую палочку, подвешенную на нити. Приблизим к ней другую такую же палочку, наэлектризованную трением о тот же кусочек меха. Палочки оттолкнуться Так как палочки одинаковые и наэлектризовали их трением об одно и тоже тело, можно сказать, что на них были заряды одного рода. Значит, тела, имеющие заряды одного рода, взаимно отталкиваются.

Теперь поднесем к наэлектризованной эбонитовой палочке стеклянную палочку, потертую о шелк. Мы увидим, что стеклянная и эбонитовая палочки взаимно притягиваются (рис.№2). Следовательно, заряд, полученный на стекле, потертом о шелк, другого рода, чем на эбоните, потертом о мех. Значит, существует другой род электрических зарядов.

Будим приближать к подвешенной наэлектризованной эбонитовой палочке наэлектризованные тела из различных веществ: резины, плексигласа, пластмассы, капрона. Мы увидим, что в одних случаях эбонитовая палочка отталкивается от тел, поднесенных к ней, а в других - притягивается. Если эбонитовая палочка оттолкнулась, значит, на теле, поднесенном к ней, заряд такого же рода, что и на ней. А заряд тех тел, к которым эбонитовая палочка притянулась, сходен с зарядом, полученном на стекле, потертом о шелк. Поэтому можно считать, что существует только два рода электрических зарядов.

Заряд, полученный на стекле потертом о шелк (и на всех телах, где получается заряд такого же рода), назвали положительным, а заряд, полученный на янтаре (а также эбоните, сере, резине), потертом о шерсть назвали отрицательным, т. е. зарядам приписали знаки “+” и “-”.

И так, опыты показали, что существует два рода электрических зарядов - положительные и отрицательные заряды и что наэлектризованные тела по-разному взаимодействуют друг с другом.

Тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются.

4. Электроскоп. Проводники и не проводники электричества.

Если тела наэлектризованы, то они притягиваются друг к другу или взаимно отталкиваются. По притяжению или отталкиванию можно судить, сообщен ли телу электрический заряд. Поэтому и устройство прибора, при помощи которого выясняют, наэлектризовано ли тело, основано на взаимодействии заряженных тел. Этот прибор называется электроскопом (от греч. слов электрон и скопео - наблюдать, обнаруживать).

В электроскопе через пластмассовую пробку (рис.№3), вставленную в металлическую оправу, пропущен металлический стержень, на конце которого укреплены два листочка из тонкой бумаги. Оправа с обеих сторон закрыта стеклами.

Чем больше заряд электроскопа, тем больше сила отталкивания листочков и тем на больший угол они разойдутся. Значит, по изменению угла расхождение листочков электроскопа можно судить, увеличился или уменьшился его заряд.

Если прикоснуться к заряженному телу (например, к электроскопу) рукой, оно разрядиться. Электрические заряды перейдут на наше тело и через него могут уйти в землю. Разредиться заряженное тело и в том случае если соединить его с землей металлическим предметом, например железной или медной проволокой. Но если заряженное тело соединить с землей стеклянной или эбонитовой палочкой, то электрические заряды по ним не уйдут в землю. В этом случае заряженное тело не разрядится.

По способности проводить электрические заряды вещества условно делятся на проводники и непроводники электричества.

Все металлы, почва, растворы солей и кислот в воде - хорошие проводники электричества.

К непроводникам электричества, или диэлектрикам, относятся фарфор, эбонит, стекло, янтарь, резина, шелк, капрон, пластмассы, керосин, воздух (газы).

Тела, изготовленные из диэлектриков, называются изоляторами (от греч. слова изоляро - уединять).

5. Делимость электрического заряда. Электрон.

Зарядим металлический шар, прикрепленный к стержню электроскопа (рис. №4а). Соединим этот шар с металлическим проводником А, держа его за ручку В, изготовленную из диэлектрика, с другим точно таким же, но незаряженным шаром, находящемся на втором электроскопе. Половина заряда перейдет с первого шара на второй (рис. №4б). Значит, первоначальный заряд разрядился на две равные части.

Теперь разъединим шары и коснемся второго шара рукой. От этого он потеряет заряд - разрядиться. Присоединим его снова к первому шару, на котором осталась половина первоначального заряда. Оставшийся заряд снова разделиться на две равные части, и на первом шаре останется четвертая часть первоначального заряда.

Таким же образом можно получить одну восьмую, одну шестнадцатую часть заряда и т. д.

Таким образом, опыт показывает, что электрический заряд может иметь разное значение. Электрический заряд - физическая величина.

За единицу электрического заряда принят один кулон (обозначается 1 Кл). Единица названа так в честь французского физика Ш. Кулона.

В опыте изображенным на рисунке №4, показано, что электрический заряд можно разделить на части.

А существует ли придел деления заряда?

Чтобы ответить на этот вопрос, понадобилось выполнять более сложные и точные опыты, чем описанные выше, т. к. очень скоро оставшийся на шаре электроскопа заряд становиться таким малым, что обнаружить его при помощи электроскопа не удается.

Для деления заряда на очень маленькие порции нужно передавать его не шарам, а маленьким крупинкам металла или капелькам жидкости. Измеряя заряд, полученный на таких маленьких телах, установили, что можно получить порции заряда, в миллиарды миллиардов раз меньше, чем в описанном опыте. Однако во всех опытах разделить заряд дальше определенного значения не удавалось.

Это позволило предположить, что электрический заряд имеет придел делимости или, точнее, что существуют заряженные частица, которая имеет самый малый заряд, далее уже не делимый.

Чтобы доказать, что существует придел деления электрического заряда, и установить, каков этот придел, ученые проводили специальные опыты. Например, советский ученый А. Ф. Иоффе поставил опыт, в котором электризовали мелкие пылинки цинка, видимые только под микроскопом. Заряд пылинок несколько раз меняли, и каждый раз измеряли, на сколько изменился заряд. Опыты показали, что все изменения заряда пылинки были в целое число раз (т. е. в 2, 3, 4, 5 и т. д.)больше некоторого определенного наименьшего заряда, т. е. заряд пылинки изменялся хотя и очень малыми, но целыми порциями. Так как заряд с пылинки уходит вместе с частицей вещества, то Иоффе сделал вывод, что в природе существует такая частица вещества, которая имеет самый маленький заряд, далее уже не делимый.

Эту частицу назвали электрон.

Значение заряда электрона впервые определил американский ученый Р. Милликен. В своих опытах, сходных с опытами А. Ф. Иоффе, он пользовался мелкими капельками масла.

Заряд электрона - отрицательный, равен он - 1,610 Кл (0,000 000 000 000 000 000 16 Кл). Электрический заряд - одно из основных свойств электрона. Этот заряд нельзя “снять” с электрона.

Масса электрона равна 9,110 кг, она в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, наименьшей из всех молекул. Крылышко мухи имеет массу, примерно в 510 большую, чем масса электрона.

6. Ядерная модель строения атома

Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом в целом электрически нейтрален, следовательно, он должен содержать в себе еще другую составную часть, заряженную положительно, причем ее заряд должен уравновешивать сумму отрицательных зарядов электронов.

Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Эрнестом Резерфордом (1871-1937). Резерфорд предложил следующую схему строения атома. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Суммарный отрицательный заряд электронов численно равен положительному заряду ядра, так что атом в целом электронейтрален. Так как масса электронов ничтожно мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Наоборот, размер ядер чрезвычайно мал даже по сравнению с размером самих атомов: диаметр атома - величина порядка 10 см, а диаметр ядра - порядка 10 - 10 см. Отсюда ясно, что на долю ядра и электронов, число которых, как увидим дальше, сравнительно невелико, приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой (рис. №5)

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества.
Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда.
Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами.
Среди таких проводников лучшим примером является углерод.
Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость . Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R ).
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G ).

G = 1/ R

То есть, проводимость – это свойство или способность проводника проводить электрический ток.
Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость . Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет бо льшую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

В отличие от проводников , в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

К диэлектрикам относятся , в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы , изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру , все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить , что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого.
Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка).
Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение.
Вольфрам и молибден, напротив, являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие и плохие. Связано это с тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.

Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником.
Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.

Полупроводники

Существуют вещества , которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют полупроводниками . Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.

В отличие от металлических проводников , у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости - уменьшается.

При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из рис. 1 , стремится к бесконечности.
Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик.
При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника.

Рис. 1 . Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры

Диэлектрик - это материал или вещество, которое практически не пропускает электрический ток. Такая проводимость получается вследствие небольшого количества электронов и ионов. Данные частицы образуются в не проводящем электрический ток материале только при достижении высоких температурных свойств. О том, что такое диэлектрик и пойдёт речь в этой статье.

Описание

Каждый электронный или радиотехнический проводник, полупроводник или заряженный диэлектрик пропускает через себя электрический ток, но особенность диэлектрика в том, что в нем даже при высоком напряжении свыше 550 В будет протекать ток малой величины. Электрический ток в диэлектрике - это движение заряженных частиц в определённом направлении (может быть положительным и отрицательным).

Виды токов

В основе электропроводимости диэлектриков лежат:

• Токи абсорбционные - ток, который протекает в диэлектрике при постоянном токе до тех пор, пока не достигнет состояния равновесия, изменяя направление при включении и подаче на него напряжения и при отключении. При переменном токе напряжённость в диэлектрике будет присутствовать в нём всё время, пока находится в действии электрического поля.
• Электронная электропроводность - перемещение электронов под действием поля.
• Ионная электропроводность - представляет собой движение ионов. Находится в растворах электролитов - соли, кислоты, щёлочь, а так же во многих диэлектриках.
• Молионная электропроводность - движение заряженных частиц, называемых молионами. Находится в коллоидных системах, эмульсиях и суспензиях. Явление движения молионов в электрическом поле называется электрофорезом.

Классифицируют по агрегатному состоянию и химической природе. Первые делятся на твёрдые, жидкостные, газообразные и затвердевающие. По химической природе делятся на органику, неорганику и элементоорганические материалы.

По агрегатному состоянию:

• Электропроводимость газов. У газообразных веществ достаточно малая проводимость тока. Он может возникать при наличии свободных заряженных частиц, что появляется из-за воздействия внешних и внутренних, электронных и ионных факторов: излучение рентгена и радиоактивного вида, соударение молекул и заряженных частиц, тепловые факторы.
• Электропроводимость жидкого диэлектрика. Факторы зависимости: структура молекулы, температура, примеси, присутствие крупных зарядов электронов и ионов. Электропроводимость жидких диэлектриков во многом зависит от наличия влаги и примесей. Проводимость электричества полярных веществ создаётся ещё при помощи жидкости с диссоциированными ионами. При сравнении полярных и неполярных жидкостей, явное преимущество в проводимости имеют первые. Если очистить жидкость от примесей, то это поспособствует уменьшению её проводимых свойств. При росте проводимости и его температуры возникает уменьшение её вязкости, приводящее к увеличению подвижности ионов.
• Твёрдые диэлектрики. Их электропроводимость обуславливается как перемещение заряженных частиц диэлектрика и примесей. В сильных полях электрического тока выявляется электропроводимость.

Физические свойства диэлектриков

При удельном сопротивлении материала равном меньше 10-5 Ом*м их можно отнести к проводникам. Если больше 108 Ом*м — к диэлектрикам. Возможны случаи, когда удельное сопротивление будет в разы больше сопротивления проводника. В интервале 10-5-108 Ом*м находится полупроводник. Металлический материал — отличный проводник электрического тока.

Из всей таблицы Менделеева только 25 элементов относятся к неметаллам, причём 12 из них, возможно, будут со свойствами полупроводника. Но, разумеется, кроме веществ таблицы, существует ещё множество сплавов, композиций или химических соединений со свойством проводника, полупроводника или диэлектрика. Исходя из этого, трудно провести определённую грань значений различных веществ с их сопротивлениями. Для примера, при пониженном температурном факторе полупроводник станет вести себя подобно диэлектрику.

Применение

Использование не проводящих электрический ток материалов очень обширно, ведь это один из популярно используемых классов электротехнических компонентов. Стало достаточно ясно, что их можно применять благодаря свойствам в активном и пассивном виде.

В пассивном виде свойства диэлектриков используют для применения в электроизоляционном материале.

В активном виде они используются в сегнетоэлектрике, а также в материалах для излучателей лазерной техники.

Основные диэлектрики

К часто встречающимся видам относятся:

• Стекло.
• Резина.
• Нефть.
• Асфальт.
• Фарфор.
• Кварц.
• Воздух.
• Алмаз.
• Чистая вода.
• Пластмасса.

Что такое диэлектрик жидкий?

Поляризация данного вида происходит в поле электрического тока. Жидкостные токонепроводящие вещества используются в технике для заливки или пропитки материалов. Есть 3 класса жидких диэлектриков:

Нефтяные масла - являются слабовязкими и в основном неполярными. Их часто используют в высоковольтных аппаратурах: высоковольтные воды. - это неполярный диэлектрик. Кабельное масло нашло применение в пропитке изоляционно-бумажных проводов с напряжением на них до 40 кВ, а также покрытий на основе металла с током больше 120 кВ. Масло трансформаторное по сравнению с конденсаторным имеет более чистую структуру. Данный вид диэлектрика получил широкое распространение в производстве, несмотря на большую себестоимость по сравнению с аналоговыми веществами и материалами.

Что такое диэлектрик синтетический? В настоящее время практически везде он запрещён из-за высокой токсичности, так как производится на основе хлорированного углерода. А жидкий диэлектрик, в основе которого кремний органический, является безопасным и экологически чистым. Данный вид не вызывает металлической ржавчины и имеет свойства малой гигроскопичности. Существует разжиженный диэлектрик, содержащий фторорганическое соединение, которое особо популярно из-за своей негорючести, термических свойств и окислительной стабильности.

И последний вид, это растительные масла. Они являются слабо полярными диэлектриками, к ним относятся льняное, касторовое, тунговое, конопляное. Касторовое масло является сильно нагреваемым и применяется в бумажных конденсаторах. Остальные масла - испаряемые. Выпаривание в них обуславливается не естественным испарением, а химической реакцией под названием полимеризация. Активно применяется в эмалях и красках.

Заключение

В статье было подробно рассмотрено, что такое диэлектрик. Были упомянуты различные виды и их свойства. Конечно, чтобы понять всю тонкость их характеристик, придётся более углубленно изучить раздел физики о них.

При изучении тепловых явлений говорилось, что по способности проводить теплоту вещества делятся на хорошие и плохие проводники тепла.

По способности передавать электрические заряды вещества также делятся на несколько классов: проводники, полупроводники и непроводники электричества.

Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Хорошие проводники электричества - это металлы, почва, вода с растворёнными в ней солями, кислотами или щелочами, графит. Тело человека также проводит электричество. Это можно обнаружить на опыте. Дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Листочки тотчас опустятся. Заряд с электроскопа уходит по нашему телу через пол комнаты в землю.

а - железо; б - графит

Из металлов лучшие проводники электричества - серебро, медь, алюминий.

Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Непроводниками электричества, или диэлектриками , являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шёлк, капрон, масла, воздух (газы). Изготовленные из диэлектриков тела называют изоляторами (от итал. изоляро - уединять).

а - янтарь; б - фарфор

Полупроводниками называют тела, которые по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

В природе полупроводники распространены достаточно широко. Это оксиды и сульфиды металлов, некоторые органические вещества и др. Наибольшее применение в технике нашли германий и кремний.

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток и являются диэлектриками. Однако при повышении температуры в полупроводнике начинает резко увеличиваться число носителей электрического заряда, и он становится проводником.

Почему это происходит? У полупроводников, таких как кремний и германий, в узлах кристаллической решётки атомы колеблются около своих положений равновесия, и уже при температуре 20 °С это движение становится настолько интенсивным, что химические связи между соседними атомами могут разорваться. При дальнейшем повышении температуры валентные электроны (электроны, находящиеся на внешней оболочке атома) атомов полупроводников становятся свободными, и под действием электрического поля в полупроводнике возникает электрический ток.

Характерной особенностью полупроводников является возрастание их проводимости с повышением температуры. У металлов же при повышении температуры проводимость уменьшается.

Способность полупроводников проводить электрический ток возникает также при воздействии на них света, потока быстрых частиц, введении примесей и др.

а - германий; б- кремний

Изменение электропроводности полупроводников под действием температуры позволило применять их в качестве термометров для замера температуры окружающей среды, широко применяют в технике. С его помощью контролируют и поддерживают температуру на определённом уровне.

Повышение электропроводности вещества под воздействием света носит название фотопроводимость . Основанные на этом явлении приборы называют фотосопротивлениями . Фотосопротивления применяются для сигнализации и в управлении производственными процессами на расстоянии, сортировке изделий. С их помощью в экстренных ситуациях автоматически останавливаются станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Благодаря удивительным свойствам полупроводников, они широко используются при создании транзисторов, тиристоров, полупроводниковых диодов, фоторезисторов и другой сложнейшей аппаратуры. Применение интегральных микросхем в теле-, радио- и компьютерных приборах позволяет создавать устройства небольших, а порой и ничтожно малых размеров.

Вопросы

1. На какие группы делят вещества по способности передавать электрические заряды?
2. Какой характерной особенностью обладают полупроводники?
3. Перечислите области применения полупроводниковых приборов.

Упражнение 22

1. Почему заряженный электроскоп разряжается, если его шарика коснуться рукой?
2. Почему стержень электроскопа изготавливают из металла?
3. К шарику незаряженного электроскопа подносят тело, заряженное положительно, не касаясь его. Какой заряд возникнет на листочках электроскопа?

Это любопытно...

Способность тела к электризации определяется наличием свободных зарядов. В полупроводниках концентрация носителей свободного заряда увеличивается с ростом температуры.

Проводимость, которая осуществляется свободными электронами (рис. 43), называется электронной проводимостью полупроводника или проводимостью n-типа (от лат. negativus - отрицательный). При отрыве электронов от атомов германия в местах разрыва образуются свободные места, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырки». В области образования дырки возникает избыточный положительный заряд. Вакантное место может быть занято другим электроном.

Электрон, перемещаясь в полупроводнике, создаёт возможность заполнения одних дырок и образования других. Возникновение новой дырки сопровождается появлением свободного электрона, т. е. идёт непрерывное образование пар электрон - дырка. В свою очередь, заполнение дырок приводит к уменьшению числа свободных электронов. Если кристалл поместить в электрическое поле, то будет происходить перемещение не только электронов, но и дырок. Направление перемещения дырок противоположно направлению движения электронов.

Проводимость, которая возникает в результате перемещения дырок в полупроводнике, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа (от лат. positivus - положительный). Полупроводники подразделяют на чистые полупроводники, примесные полупроводники n-типа, примесные полупроводники р-типа.

Чистые полупроводники обладают собственной проводимостью. В создании тока участвуют свободные заряды двух типов: отрицательные (электроны) и положительные (дырки). В чистом полупроводнике концентрация свободных электронов и дырок одинакова.

При введении в полупроводник примесей возникает примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно менять и число носителей заряда того или иного знака, т. е. создавать полупроводники с преимущественной концентрацией отрицательного или положительного заряда. Примесные полупроводники n-типа обладают электронной проводимостью. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными - дырки.

Примесные полупроводники р-типа обладают дырочной проводимостью. Основными носителями заряда являются дырки, а неосновными - электроны.

Представляет собой соединение полупроводников р- и л-типа. Сопротивление области контакта зависит от направления тока. Если диод включить в цепь, чтобы область кристалла с электронной проводимостью n-типа была подсоединена к положительному полюсу, а область с дырочной проводимостью р-типа к отрицательному полюсу, то тока в цепи не будет, так как переход электронов из n-области в р-область затрудняется.

Если р-область полупроводника подключить к положительному полюсу, а n-область к отрицательному, то в этом случае ток проходит через диод. За счёт диффузии основных носителей тока в чужой полупроводник в области контакта образуется двойной электрический слой, препятствующий движению зарядов. Внешнее поле, направленное от р к n, частично компенсирует действие этого слоя, и при увеличении напряжения ток быстро возрастает.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ, НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Диэлектрики - вещества, в которых могут длительно существовать электростати­ческие поля. Эти материалы, в противоположность проводниковым, практически не про­водят электрический ток под действием приложенного к ним постоянного напряжения.

Назначение электрической изоляции сводится прежде всего к тому, чтобы препят­ствовать прохождению тока путями, нежелательными для работы электротехниче­ского устройства. Кроме того, диэлектрики в электрических устройствах, в частности конденсаторах, играют активную роль, обеспечивая емкость требующейся вели­чины.

Дипольными диэлектриками являются те, молекулы которых построены в прост­ранстве несимметрично; как правило, они имеют более высокую диэлектрическую проницаемость, чем нейтральные диэлектрики. Дипольные диэлектрики более гигроскопичны и легче смачиваются водой, чем нейтральные.

Диэлектрики разделяются также на гетерополярные (ионные), молекулы которых относительно легко расщепляются на противоположно заряженные части (ионы), и гомеополярные, не расщепляющиеся на ионы.

По химическому составу электроизоляционные материалы разделяются на органи­ческие, в состав которых входит углерод, и на неорганические, не содержащие угле­рода. Как правило, неорганические материалы имеют более высокую нагревостойкость , чем органические.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

По самому своему назначению диэлектрики под воздействием постоянного напря­жения совершенно не должны пропускать тока, т. е. должны быть непроводниками. Однако все практически применяемые электроизоляционные материалы при приложении постоянного напряжения пропускают некоторый незна­чительный ток, так называемый ток утечки. Таким образом, удельное сопротивление электроизоляционных материалов не бесконечно, хотя и весьма велико.

Сопротивление участка изоляции равно отношению приложенного к этому участ­ку изоляции постоянного напряжения U (в вольтах) к току утечки I (в амперах) через этот участок:

Проводимость изоляции

.

Различают объемное сопротивление изоляции R V , численно определяющее препят­ствие, создаваемое изоляцией прохождению тока сквозь ее толщу, и поверхностное сопротивление R S определяющее препятствие прохождению тока по поверхности изоля­ции и характеризующее наличие повышенной проводи­мости поверхностного слоя диэлектрика за счет увлажне­ния, загрязнения и т. п.

Полное сопротивление изоляции определяется как ре­зультирующее двух сопротивлений, включенных параллель­но между электродами, объемного и поверхностного:

Для плоского участка изоляции с поперечным сечением S [см 2 ] и толщиной h [см] объемное сопротивление (исключая влияние краев) равно:

.

Численно ρ V равно сопротивле­нию (в Омах) куба с ребром в 1 см из данного материала, если ток проходит через две противоположные грани куба:

.

1 Ом∙см = 10 4 Ом∙мм 2 /м = 10 6 мкОм∙см = 10 -2 Ом∙м.

Величина, обратная удельному объемному сопротивлению

,

называется удельной объемной проводимостью материала.

Значения ρ V практически применяемых твердых и жидких электроизоляционных материалов колеблются примерно от 10 8 -10 10 Ом∙см для сравнительно низко­качественных, применяемых в малоответственных случаях материалов (древесина, мрамор, асбестоцемент и пр.) до 10 16 -10 18 Ом∙см для таких материалов, как янтарь, полистирол, полиэтилен и др. Для неионизированных газов ρ V порядка 10 19 -10 20 Ом∙см. Отношение удельных сопротивлений высококачественного твердого диэлектрика и хорошего проводника (при нормальной температуре) выражается колоссальным числом - по­рядка 10 22 -10 24 .

Удельное поверхностное сопротивление ρ S характеризует свойство электро­изоляционного материала создавать в изготовленной из него изоляции по­верхностное сопротивление. Поверхностное сопротивление (пренебрегая влиянием краев) между электродами с параллельными друг другу прямыми кромками длиной b , находящимися друг от друга на расстоянии а , при исключении тока объемной утечки через толщу материала равно , где .

Величина ρ S численно равна сопротивлению квадрата (любого размера) на поверхности данного материала, сели ток подводится к электродам, ограничивающим две противо­положные стороны этого квадрата.

Физическая природа электро­проводности диэлектриков

Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них свободных (т. е. не связанных с определенными молекулами и могу­щих передвигаться под действием приложенного электрического поля) заряженных частиц: ионов, молионов (коллоидных частиц), иногда электронов.

Наиболее характерна для большей части электроизоляционных материалов ионная электропроводность. Следует отметить, что в ряде случаев электролизу подвергается основное вещество диэлектрика; примером может служить стекло, в ко­тором благодаря его прозрачности можно непосредственно наблюдать выделение про­дуктов электролиза. При пропускании постоянного тока через стекло, нагретое для понижения проводимости, у катода образуются характерные древовидные отложения («дендриты») входящих в состав стекла металлов, прежде всего натрия. Еще чаще наблюдаются такие случаи, когда молекулы основного вещества диэлектрика не облада­ют способностью легко ионизироваться, но ионная электропроводность имеет место за счет практически неизбежно присутствующих в диэлектрике загрязнений - примесей влаги, солей, кислот, щелочей и т. п. Даже весьма малые, иногда с трудом обнаруживаемые химическим анализом примеси способны заметно влиять на проводимость вещества; поэтому при изготовлении диэлектриков и вообще в технике электрической изоляции такое важное значение имеет чистота исходных продуктов и чистота рабочего места. У диэлектрика с ионным характером электропроводности строго соблюдается за­кон Фарадея, т. е. пропорциональность между количеством прошедшего через изоля­цию электричества (при постоянном токе) и количеством выделившегося при электро­лизе вещества.

При повышении температуры удельное сопротивление электроизоляционных материалов, как правило, сильно уменьшается. Очевидно, что условия работы электрической изоляции становятся при этом более тяжелы­ми. При низких температурах, наоборот, даже очень плохие диэлектрики приобрета­ют высокие значения ρ V .

Присутствие даже малых количеств воды способно значительно уменьшить ρ V диэлектрика. Это объясняется тем, что имеющиеся в воде примеси диссоциируют на ионы или же присутствие воды может способствовать диссоциации молекул самого вещества. Таким образом, условия работы электрической изоляции утяжеляются и при увлажнении. Весьма сильно влияет увлажнение на изменение ρ V волокнистых и некоторых других материалов, в которых влага может образовывать сплошные пленки вдоль волокон - «мостики», пронизывающие весь диэлектрик от одного электрода до дру­гого.

Гигроскопичные материалы для защиты от действия влаги после сушки пропиты­вают или покрывают негигроскопичными лаками, компаундами и т. п. При сушке электрической изоляции влага из нее удаляется, и сопротивление ее растет. Поэтому при повышении температуры ρ V увлажненного материала сначала может даже расти (если влияние удаления влаги перевешивает влияние повышения температуры), и только после удаления значительной части влаги начинается сниже­ние ρ V .

Сопротивление изоляции может уменьшаться с повышением напряжения, что имеет существенное практическое значение: измеряя сопротивление изо­ляции (машины, кабеля, конденсатора и т. п.) при напряжении, которое ниже рабочего, мы можем по­лучить завышенную величину сопротивления.

Зави­симость R из от величины напряжения объясняется рядом причин:

образованием в диэлектрике объем­ных зарядов;

плохим контактом между электродами и измеряемой изоляцией и др.

При достаточно больших напряженностях мо­жет происходить освобождение электронов силами электрического поля; создающаяся при этом доба­вочная электронная проводимость приводит к су­щественному увеличению общей электропроводности. Это явление предшествует развитию пробоя диэлек­трика.

При приложении к твердому диэлектрику постоянного напряжения в большинст­ве случаев ток постепенно спадает с течением времени, асимптотически прибли­жаясь к некоторой установившейся величине. Таким образом, постепенно проводи­мость диэлектрика возрастает, а сопротивление уменьшается. Изменение проводи­мости со временем связано с влиянием образования объемных зарядов, с процессами электролиза в диэлектрике и другими причинами.

Характер изменения удельного поверхностного сопротивления ρ S диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины напряжения, времени воздействия напряжения) сходен с характером изменения ρ V , рассмотренным выше. Величина ρ S гигроскопичных диэлектриков весьма чувствительна к увлажне­нию.

Поляризация диэлектриков

Важнейшим свойством диэлектриков является способность их под действием при­ложенного извне электрического напряжения поляризоваться. Поляризация сводится к изменению пространственного положения заряженных материальных частиц диэлектрика, причем диэлектрик приобретает наведенный электрический момент, и в нем образуется электрический заряд. Если мы рассматриваем некоторый участок изоляции с электродами, к которым подается напряжение U [В], то заряд этого участка Q [Кл] определяется выражением

Q = CU .

Здесь С есть емкость данного участка изоляции, измеряемая в фарадах (ф).

Емкость изоляции зависит как от материала (диэлектрика), так и от геометри­ческих размеров и конфигурации изоляции.

Способность данного диэлектрика образовывать электрическую емкость называет­ся его диэлектрической проницаемостью и обозначается ε . Вели­чина ε вакуума принимается за единицу.

Пусть С о - емкость вакуумного конденсатора произвольной формы и размеров. Если, не меняя размеров, формы и взаимного расположения обкладок конденсатора, заполнить пространство между его обкладками материалом с диэлектри­ческой проницаемостью ε , то емкость конденсатора увеличится и достигнет зна­чения

C = ε С о .

Таким образом, диэлектрическая проницаемость какого-либо вещества есть число, показывающее, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора, если, не меняя размеров и формы электродов конденсатора, заполнить пространство между электродами данным веществом. Емкость конденсатора данных геомет­рических размеров и формы прямо пропорциональна ε диэлектрика.

Величина диэлектрической проницаемости входит во многие основные уравнения электростатики. Так, по закону Кулона усилие взаимного отталкивания двух точечных электрических зарядов величиной Q 1 и Q 2 (абсолютных единиц заряда), расположен­ных в среде с диэлектрической проницаемостью ε на расстоянии друг от друга h [см], составляет:

Ди­электрическая проницаемость является величиной безразмерной. Для газов она весьма близка к 1. Так, для воздуха при нормальных условиях ε= 1,00058. Для большинства жидких и твердых электроизоляционных материалов ε – порядка нескольких единиц, реже десятков и весьма редко превышает 100. Некоторые вещества особого класса – сегнетоэлектрики - при определенных условиях обладают исключительно высокими значениями диэлектрической проницаемости.

Физическая сущность поляризации

Поляризация, как и проводимость, обусловлена передвижением в пространстве электрических зарядов. Различия этих двух явлений:

при поляризации имеет место смещение связанных с определенными молекулами зарядов, не могущих выходить за пределы данной молекулы, в то время как проводимость обусловлена движением (дрейфом) свободных зарядов, могущих перемещаться в диэлектрике на сравнительно большое расстояние;

смещение при поляризации – упругий сдвиг зарядов; по окончании действия приложенного к диэлектрику напряжения смещенные заряды имеют тенденцию к возвращению в исходные положения, что для проводимости не характерно;

поляризация однородного материала имеет место практически во всех моле­кулах диэлектрика, в то время как электропроводность диэлектриков часто обуслов­ливается наличием незначительного количества примесей (загрязнений).

В то время как ток проводимости существует все время, пока к диэлектрику при­ложено извне постоянное напряжение, ток смещения (емкостный ток) возникает лишь при включении или выключении постоянного напряжения или вообще при изменении величины приложенного напряжения; длительно существует емкостный ток только в диэлектрике, находящемся под воздействием переменного напряжения.

Наиболее типичные виды поляризации: электронная, ионная и дипольная.

Электронная поляризация - смещение орбит электронов относительно атомного ядра. Электронная поляризация при наложении внешнего электрического поля про­текает за чрезвычайно короткое время (порядка 10 -15 сек).

Ионная поляризация (у ионных диэлектриков) - смещение друг относительно друга ионов, составляющих молекулу. Эта поляризация протекает в сроки более длительные, чем электронная, но так же в весьма короткие - порядка 10 -13 сек.

Электронная и ионная поляризация - разновидности деформационной поляриза­ции, представляющей собой сдвиг друг относительно друга зарядов в направлении внешнего электрического поля.

Дипольная (ориентационная) поляризация сводится к повороту (ориентации) дипольных молекул вещества. Эта поляризация численно велика по сравнению с де­формационной и полностью протекает за промежутки времени, различные для молекул разных веществ, но значительно более длительные, чем продолжительность де­формационной поляризации.

Очевидно, что у нейтральных диэлектриков может иметь место лишь деформа­ционная поляризация. Эти диэлектрики имеют сравнительно малую диэлектрическую проницаемость (например, для жидких и твердых углеводородов ε порядка 1,9-2,8).

Таблица 1.1

Величина диэлектрической проницаемости некоторых веществ

Дипольные диэлектрики, у которых, помимо деформационной поляризации, наблю­дается и ориентационная поляризация, имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости по сравнению с нейтральными диэлектриками, причем у дипольных диэлектриков,например, для воды, ε = 82.

Диэлектрическая проницаемость дипольного вещества, вообще говоря, тем боль­ше, чем меньше размеры молекулы (или молекулярный вес). Так, весьма большое ε воды связано с очень малым размером ее молекулы.

Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты. Так как время установления деформационной поляризации весьма мало по сравнению с временем изменения знака напряжения даже при наиболее высоких частотах, применяемых в современной радиоэлектронике, поляризация нейтральных диэлектриков успевает установиться полностью за время, которым по сравнению с полупериодом переменного напряжения можно пренебречь. Поэтому практически существенной зависимости ε от частоты у нейтральных диэлектриков нет.

У дипольных диэлектриков при повышении частоты переменного напряжения величина ε сначала также остается неизменной, но начиная с некоторой критической частоты, когда поляризация не успевает полностью установиться за один полупериод, ε начинает снижаться, приближаясь при весьма высоких частотах к значениям, характерным для нейтральных диэлектриков; при повышении температуры критическая частота увеличивается.

В резко неоднородных диэлектриках, в частности в диэлектриках с вкраплениями воды, наблюдается явление так называемой междуслой ной поляризации. Междуслойная поляризация сводится к накоплению электрических зарядов на границах раздела диэлектриков (в случае увлажненного диэлектрика - на поверхности вкрапленной воды). Процессы установления междуслойной поляризации весьма медленны и могут протекать на протяжении минут и даже часов. Поэтому увеличение емкости изоляции вследствие увлажнения последней тем больше, чем меньше частота переменного напряжения, приложенного к изоляции.

Зав исимость диэлектрической проницаемости от температуры. У нейтральных диэлектриков ε слабо зависит от температуры, уменьшаясь при повышении последней вследствие теплового расширения вещества, т. е. уменьшения количества поляризующихся молекул в единице объема вещества.

У дипольных диэлектриков в области низких температур, когда вещество обладает большой вязкостью, ориентация дипольных молекул вдоль поля в большинстве случаев невозможна или во всяком случае затруднена. При повышении температуры и уменьшении вязкости возможность ориентации диполей облегчается, вследствие чего ε существенно возрастает. При высокой температуре вследствие усиления тепловых хаотических тепловых колебаний молекул степень упорядоченности ориента­ции молекул снижается, что вновь приводит к снижению ε .

У кристаллов с ионной поляризацией, стекол, фарфора и других видов керамики с большим содержанием стекловидной фазы, диэлектрическая проницаемость возрастает при повышении температуры.