Непроводники электричества - определение и примеры использования

Общие сведения

Любой объект, который существует в природе, как живой, так и неживой, называют физическим телом. Состоит оно из вещества, которое образовывается из элементарных частиц, обладающих физическими и химическими свойствами. Определяются они количеством молекул, которые формируются с помощью связанных между собой атомов. В свою очередь, они состоят из элементарных частиц — нейтронов и протонов. Вокруг них на определённом расстоянии по орбитали вращаются электроны. Они являются носителями единичного электрического заряда.

Учёные условно приняли, что электроны обладают отрицательным зарядом, а протоны — положительным. При этом в любой оболочке, ядре, количество минусовых и плюсовых частиц одинаковое. Поэтому атом является электрически нейтральным. Для того чтобы это состояние изменилось необходимо к телу приложить внешнее воздействие. В результате атом может потерять или, наоборот, присоединить несколько электронов, то есть превратиться в ион. Такое явление характерно для жидкостей, вступающих в различные реакции.

Несвязанные с атомами электроны называют свободными. Любая отрицательная частица, получившая энергию извне, может разорвать связь и вырваться за пределы ядра. Например, при поглощении фотона света или радиоактивном распаде. Число свободных электронов в различных материалах отличается. Вот именно по их количеству и было решено учёным советом разделять все вещества на два больших класса:

• проводники;
• диэлектрики.

Как пример в качестве хорошего проводника можно привести — медь, а непроводника — стекло. Это разделение позволило показать, какие тела могут участвовать в возникновении электрического тока, а какие нет. Количественной характеристикой явления является электропроводность — способность физического вещества проводить ток. Ведь последний образовывается при упорядоченном движении свободных носителей зарядов. Чем их больше в объекте, тем сильнее возникает сила переноса.

Следует отметить, что, если на тело не действует внешняя сила, перемещение несвязанных электронов происходит хаотично. При этом частицы сталкиваются с атомами, дефектами кристаллической решётки, отдают и получают энергию. Но ток не появляется, так как энергия системы находится в равновесном состоянии.

Исследование диэлектриков

Вещества, которые не обладают электропроводностью, называются диэлектриками или непроводниками электрического тока. Молекулы такого тела нейтральные, в них количество положительных и отрицательных зарядов одинаковое. Но, несмотря на это частицы тела всё равно обладают электрическими свойствами. В общем виде связанные атомы можно рассматривать как диполь, обладающий моментом: P = q * l, где q — общий заряд всех частиц в диэлектрике, l — расстояние между центрами частиц.

При повороте диполей происходит деформирование связей, создаются индуцированные моменты. Если к непроводнику не приложено внешнее поле, то из-за беспорядочного движения они ориентированы хаотично. Поэтому их сумма равна нулю. Если же диэлектрик внести в электромагнитное поле, то возникнет поляризация. В любом элементарном объёме будет существовать дипольный момент отличный от нуля.

Существует несколько видов поляризации, вот основные из них:

1. Ориентационная. Приложенное поле стремится развернуть диполи вдоль своего направления. Этому мешает тепловое движение. В результате возникает преимущественная ориентация по направлению линий электромагнитной индукции. Она зависит от значения электродвижущей силы и температуры.
2. Электронная. Другое её название — деформационная. При этом типе возникают индуцированные диполи. Тепловые колебания не оказывают влияние на поляризацию. Этот вид характерен для поликристаллической керамики, перовскита CaTiO3.
3. Ионная. Может существовать только в плотных диэлектриках, структура которых обусловлена кристаллической решёткой. При этом происходит разделение положительных и отрицательных ионов по примеру проводников. Причём первые смещаются вдоль направления электрического поля.

Таким образом, любой материал, по сути, может проводить электрический ток. Но в диэлектриках его сила настолько мала, что им пренебрегают. При этом для его появления нужно приложить напряжение большой силы.

Электрические свойства диэлектрического материала характеризуются диэлектрической проницаемостью среды. Её физический смысл заключается в показывании во сколько раз электростатическое поле внутри непроводника меньше, чем в вакууме: E = E0 / Eв. Например, для полиэтилена E = 2,3; стекла — 10; воды — 81; воздуха — 1,00057. Что интересно, диэлектрическая проницаемость может обладать дисперсией.

Опыт с электроскопом

Простейшим прибором для обнаружения электрического заряда является электроскоп. Своё название устройство получило от греческого слова skopeo — наблюдать. Первый прибор был создан физиком Уильямом Гильбертом в 1600 году. Его принцип действия основан на способности разноимённых зарядов притягиваться, а одноимённых — отталкиваться. Простейший электроскоп состоит из металлического стержня, на конце которого закреплён проводящий электричество шар. С обратной стороны через скобу прикреплены два лепестка из тонкой бумаги. Стержень установлен в прозрачный сосуд.

Для проведения опыта понадобится выполнить следующее:

1. Диэлектрик, например, эбонитовую палочку, поднести к шару на расстояние 3−5 миллиметров от его поверхности. При этом можно будет наблюдать, как лепесточки разойдутся на определённый угол. Произойдёт это из-за того, что возникнет электрическое поле, которое разъединит по знакам носители заряда. В результате на лепестки перейдут одноимённые частицы, что и заставит их отталкиваться друг от друга. Если палочку отвести произойдёт выравнивание, заряды равномерно распределятся, и устройство придёт в первоначальное состояние.
2. Этот опыт можно повторить с другим диэлектриком, например, стеклянной палочкой. Если её поднести к шару, то на нём будут собираться электроны, а на лепестках соберётся положительный заряд. Как только палочка будет убрана, разделение зарядов пропадёт.
3. Теперь диэлектриком можно коснуться шара. Лепестки разойдутся на определённый угол. После того как непроводник будет убран, заряд на шаре останется. Разрядить устройство, возможно, просто коснувшись шара рукой.

Эти эксперименты показывают, что любой материал обладает электрическим зарядом. Но несмотря на это диэлектрик является изолятором, то есть не пропускает через свою структуру электрический ток. В то же время если он начинает проходить, то в этом случае говорят о пробое. Зависит параметр от величины напряжения и толщины электроизоляционного материала.

Существует разновидность электроскопа — электрометр. В нём вместо лепестков используется стрелка и проградуированная шкала. Поэтому с его помощью можно не только обнаружить заряд, но и определить его количественное значение.

Примеры непроводников

Из определения диэлектрика следует, что это тело, которое препятствует прохождению через себя электроэнергии. Даже с греческого dia electric переводится как «материал, плохо проводящий ток». Вот почему его можно просто назвать изолятором. Из наиболее ярких представителей непроводников можно перечислить следующие:

• эбонит;
• стекло;
• пластмассы;
• неупорядоченные полимеры;
• янтарь;
• керамика;
• резина;
• капрон;
• шёлк;
• ситаллы;
• смола;
• воздух;
• дерево.

Существуют и так называемые экзотические диэлектрики. Они обладают свойствами, делающими их использование нетривиальным. Например, электреты. Это непроводники, у которых поляризация существует и при отсутствии внешнего поля. По сути, они аналоги постоянного магнита. Если проводник при электромагнитном воздействии намагничивается, то обычный диэлектрик поляризуется. Электрет же находится в таком состоянии постоянно. А это значит, что вещество вокруг себя создаёт электрическое поле. Это свойство используют в микрофонах, генераторах, электрометрах.

Ещё одним видом интересного непроводника является сегнетоэлектрик. Это диэлектрик, у которого диэлектрическая проницаемость аномально высокая: E > 10³. Правда, этот параметр у такого типа веществ сильно зависит от напряжённости поляризующего поля и температуры. Его граничное значение, при котором пропадают свойства сегнетоэлектриков, называют температурой Кюри. К ярким представителям этого класса можно отнести: сегнетовую соль (KnaC4H4O6 * 4H2O), титанат бария (BaTiO3).

В природе бывают также и диэлектрики, у которых поляризация появляется без всякого воздействия внешнего механического поля при механической деформации.

К ним относится: сегнетовая соль, титанат бария, кварц. Если по кристаллу таких диэлектриков просто ударить, то на гранях вещества появятся электрические заряды. В результате можно будет даже получить искру. Это свойство используется в устройствах автоматического поджига, например, газовых горелках, зажигалках.

Стоит отметить и изоляторы Мота. Это вещества с кристаллической решёткой, которые вопреки теории физики проводников являются изоляторами. Эффект возможен из-за того, что сила межэлектродного взаимодействия намного больше энергии зарядов. Такими свойствами обладают многие редкоземельные металлы, например купрат.