Диэлектрики – это вещества, которые не проводят электрический ток. Они отличаются от проводников и полупроводников своей особенной структурой и свойствами. В отличие от проводников, диэлектрики не содержат свободно движущихся заряженных частиц – электронов или ионов. Именно поэтому они не могут проводить электрический ток, как это делают металлы и другие проводники.
Заряд, переданный на диэлектрик, не распределяется равномерно по его объему. Вместо этого, заряды собираются на поверхности диэлектрика и создают электрическое поле. Такое поведение может показаться странным, но оно обусловлено особенностями строения диэлектриков.
Основная причина, по которой диэлектрики не проводят электрический ток, заключается в их внутренней структуре. В основе этой структуры лежат атомы и молекулы, объединенные в кристаллическую решетку. В отличие от металлов, у которых электроны образуют свободное электронное облако, электроны в диэлектриках тесно связаны с атомами и молекулами. Это связывание не позволяет электронам свободно перемещаться по всему веществу.
Недостаток свободных электронов
Основная причина, по которой диэлектрики не проводят электрический ток, заключается в их недостатке свободных электронов.
Свободные электроны, которые отвечают за проводимость электрического тока в металлах, отсутствуют в диэлектриках или находятся в недостаточном количестве. В результате этого, диэлектрики не могут передавать электрический заряд так же легко, как металлы.
В диэлектриках электроны плотно связаны с атомами или молекулами, образуя стабильную структуру. Этот факт негативно сказывается на подвижности свободных электронов и способности передавать заряд. В отсутствии свободных электронов в диэлектриках электрический ток не может быть практически сформирован и тем самым, диэлектрики остаются непроводящими материалами.
Тем не менее, отсутствие свободных электронов в диэлектриках имеет свои преимущества. Оно делает диэлектрики электрически изолирующими материалами, что находит применение в различных областях, включая электротехнику и электронику. Благодаря своим диэлектрическим свойствам, они могут использоваться для разделения зарядов, создания конденсаторов, изоляции проводов и предотвращения электрических помех.
Внутренняя структура
Диэлектрики обладают особой внутренней структурой, которая влияет на их проводящие свойства. Внутри диэлектриков между атомами и молекулами существует электрическая связь, но она не обеспечивает передачу электрического тока. Это связано с особенностями атомных и молекулярных структур диэлектриков.
Атомы и молекулы в диэлектриках имеют нейтральный электрический заряд, то есть их положительный и отрицательный заряды сбалансированы. Поэтому в нормальных условиях электрический ток не проходит через диэлектрик, так как отсутствует необходимая разность зарядов.
Если на диэлектрик подается электрическое поле, то атомы и молекулы начинают некоторым образом приобретать электрический заряд. В результате этого в диэлектрике возникают электрические диполи, состоящие из положительного и отрицательного зарядов, разделенных небольшим расстоянием.
Процесс образования электрических диполей протекает внутри диэлектрика, и каждый диполь стремится выстроиться таким образом, чтобы уменьшить внешнее электрическое поле. В результате диэлектрик приобретает положительный заряд с одной стороны и отрицательный заряд с другой стороны.
Это упорядоченное распределение электрических диполей создает внутри диэлектрика силы, препятствующие движению электрических зарядов и тем самым блокирующие проводимость электрического тока. Поэтому диэлектрики обладают высоким сопротивлением и не проводят электрический ток.
Поляризация
В процессе поляризации атомы или молекулы в диэлектрике смещаются под воздействием электрического поля и создают электрический дипольный момент. Это приводит к разделению зарядов внутри диэлектрика и созданию электрической поляризации.
Когда электрическое поле приложено, положительно заряженные частицы в диэлектрике смещаются в сторону отрицательно заряженных частиц, что создает положительный заряд на одной стороне диэлектрика и отрицательный заряд на другой стороне.
Такое разделение зарядов создает электрическое поле внутри диэлектрика, которое противодействует внешнему электрическому полю. Это поле называется поляризационным полем и оно компенсирует и ослабляет внешнее электрическое поле.
Благодаря процессу поляризации, диэлектрики обладают высокой электрической изоляцией, потому что разделение зарядов ограничивает движение электронов и создает электрический барьер, который предотвращает течение электрического тока.
При снятии внешнего электрического поля, диэлектрик возвращается в свою исходную неполяризованную форму.
Эффект теплового движения
Когда электрическое поле приложено к диэлектрику, оно воздействует на заряженные частицы, такие как электроны и ионы, присутствующие в материале. Однако, из-за эффекта теплового движения, эти частицы не могут двигаться в едином направлении и создавать электрический ток. Вместо этого, они колеблются хаотичным образом, сталкиваясь друг с другом и с атомами материала.
Тепловое движение препятствует проводимости электрического тока в диэлектрике, так как оно мешает свободному движению зарядов. В отсутствие достаточной энергии или других внешних воздействий, таких как высокая температура или высокое напряжение, диэлектрик остается непроводящим материалом.
Тем не менее, при определенных условиях, например, при достаточно высокой температуре или приложении высокого напряжения, тепловое движение может воздействовать на диэлектрик таким образом, что он может стать проводником. Это происходит из-за того, что при таких условиях частицы сильнее сталкиваются между собой и способны преодолеть эффект теплового движения, создавая электрический ток.
Диэлектрическая проницаемость
Диэлектрическая проницаемость характеризует, насколько эффективно диэлектрик «задерживает» электрические заряды и тем самым препятствует проводимости электрического тока. Она определяется отношением индуцированного веществом электрического поля к внешнему электрическому полю, действующему на него.
Диэлектрическая проницаемость может быть различной для разных материалов, и это связано с их внутренней структурой и электрическими свойствами. Некоторые материалы, такие как стекло или керамика, имеют высокую диэлектрическую проницаемость и хорошо задерживают электрические заряды. Другие материалы, например, полимеры или резина, имеют низкую диэлектрическую проницаемость и мало препятствуют проводимости тока.
Для многих диэлектриков диэлектрическая проницаемость является тем фактором, который позволяет им препятствовать проводимости электрического тока. Благодаря этому свойству диэлектрики могут использоваться в различных электрических устройствах, таких как конденсаторы, изоляторы и др.
Температурная зависимость
Проводимость диэлектриков зависит от их температуры. При повышении температуры, проводимость обычно увеличивается. Это связано с увеличением теплового движения атомов и молекул вещества, что в свою очередь обуславливает большее количество свободных электронов, способных участвовать в проводимости. Однако для различных диэлектриков характер температурной зависимости может быть разным.
Некоторые диэлектрики обладают отрицательной температурной зависимостью проводимости. Это означает, что с увеличением температуры их проводимость уменьшается. Причиной этого явления может быть изменение структуры и свойств решетки кристалла или изменение взаимодействия между атомами или молекулами.
Другие диэлектрики могут иметь положительную температурную зависимость проводимости. В этом случае, с увеличением температуры, их проводимость также увеличивается. Это может быть связано с особенностями внутренней структуры и соответствующими изменениями взаимодействий между составляющими элементами вещества.
Температурная зависимость проводимости диэлектриков является важным фактором при проектировании и разработке устройств и материалов, где необходимо учитывать электрические свойства в зависимости от рабочей температуры.