ПРОВОДНИКИ И ИЗОЛЯТОРЫ

РАДИОСХЕМЫ



СХЕМЫ И СТАТЬИ


РАДИОБЛОГИ
Правила замены микросхем операционных усилителей

Зарядное для авто из блока питания ноутбука

Сварочник из микроволновки с китайским модулем управления

Универсальный цифровой изолятор сигналов

Плазменный шар питаем от батареек вместо 220V

Как подобрать встраиваемую розетку

Плазменная свеча Tesla HFSSTC

Стрелочный ваттметр



ПРОВОДНИКИ И ИЗОЛЯТОРЫ



Что такое изолятор и как работает поляризация. Что такое полярные частицы, электрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость. Все эти вопросы, а также как заряды ведут себя в материи, мы сейчас и рассмотрим.

Электризация объектов

Обсуждая такие темы, как электрическое поле и напряжение, мы относились к зарядам как если бы они были подвешены в пустом пространстве. Но устройства пока не питаются от воздуха, поэтому стоит взглянуть на поведение электрических зарядов в их реальной среде - материи, заполненной атомами.

Самый простой способ передать электрический заряд от одного объекта к другому - использовать силу трения. Если потереть мех о стекло, электроны вырвутся с поверхности стекла (оно станет положительно заряженным) и осядут на мехе (он приобретет отрицательный заряд). Благодаря этому оба объекта будут электризированы.

Согласно закону Кулона, одноименные электрические заряды, взвешенные в вакууме, будут отталкивать друг друга практически бесконечно. Но физические объекты - это тела с ограниченной площадью.

Предположим, мы наэлектризовали сферический объект, перенеся на его поверхность несколько электронов. Как они будут вести себя при ограниченной свободе передвижения?

Электрические заряды заперты в сфере

Электроны, конечно, будут отталкиваться, но только до тех пор, пока не достигнут границы объекта. Достигнув её они не будут двигаться дальше - любое движение влево или вправо будет невозможно из-за толкающих сил соседних зарядов. Причём объект может быть круглым, прямоугольным или ломанным. Заряд, накопленный на электризированном объекте, всегда будет оседать у поверхности. Собранный таким образом слой заряда обычно имеет толщину порядка 10 в минус 10-й степени мкм.

С помощью силы трения или физического контакта объектов можем заставить заряды (обычно электроны) переходить из одного в другой. И хотя это требует некоторой работы, можем таким образом электризировать практически любой объект.

Материя состоит из атомов, и они состоят из равного количества электронов (отрицательные заряды) и протонов (положительные заряды). Поэтому каждый физический объект до краев заполнен зарядами. Равное количество положительных и отрицательных зарядов делает всю материю вокруг нас электрически нейтральной по своей природе.

Металлический и пластиковый куб электрически нейтральны. То же самое и с любым другим материалом. На каждый заряд в электрическом поле действует кулоновская сила. Посмотрим что происходит, когда такое поле окружает не электрический заряд, а большой нейтральный объект. Попробуем создать такое поле возле двух кубиков, сделанных из разных материалов:

Помещение объекта в электрическое поле влияет на распределение его внутреннего заряда.
Для создания электрического поля достаточно двух противоположно заряженных пластин - разность потенциалов между ними гарантирует наличие электрического поля. Линии поля проходят через объекты, а частицы внутри них реагируют на поле. Это явление называется электростатической индукцией. В случае с металлом эффект очень выражен. По обе стороны от первого был большой заряд, а пластиковый куб реагировал довольно неохотно. Давайте выясним, что отличает эти объекты друг от друга и что на самом деле происходило внутри двух кубиков.

Объекты, частицы которых сильно взаимодействуют с электрическим полем, называются проводниками. Существуют металлические проводники (то есть металлы всех видов) и ионные проводники (например, соленая вода, аккумуляторный электролит). Что происходит с проводником под действием внешнего электрического поля?

Для металлов характерно то, что их атомы плотно упакованы и прочно связаны друг с другом, создавая так называемые кристаллические структуры. Кроме того, их уникальной особенностью будет то, что электроны из последней оболочки (самой удаленной от ядра, называемой валентной) слабо связаны с атомом и могут легко перепрыгивать между соседними молекулами в структуре.

Движение валентных электронов - массовое явление. Каждый атом в металле имеет один или два таких свободных электрона, которые отделяются от него и свободно перемещаются по структуре, создавая так называемое электронное облако на поверхности материала. Именно это явление является причиной видимого металлического блеска.

Таким образом, структуру металла можно рассматривать как серию тесно связанных положительных зарядов, окруженных облаком отрицательных зарядов. Во всей структуре столько же протонов, сколько электронов, а металл в целом более или менее электрически нейтрален.

Как только появляется электрическое поле, кулоновская сила действует на все частицы в металле. Оно слишком мало, чтобы каким-либо образом повлиять на прочно связанные атомы. Иное дело со свободными электронами. Электрическое поле заставляет их двигаться к высокому потенциалу. Электроны расположены на одной стороне проводника, где из-за их большого количества сосредоточен отрицательный заряд. На другой стороне куба электроны отсутствуют, а другие атомы образуют область положительного заряда.

Электрическое поле внутри проводника

Электроны в проводнике устремляются к высокому потенциалу, но эффект не длится вечно. Скопление их большого количества на одной из стенок куба увеличивает отрицательный заряд в этой области. Последующим электронам все труднее приближаться к стенке, так как они все сильнее отталкиваются от зарядов, попавших туда раньше.

То есть входящие электроны начали создавать новое внутреннее электрическое поле. Чем больше зарядов на одной стороне, тем сильнее это поле. В конце концов наступит момент, когда интенсивность внутреннего поля будет равна напряженности внешнего. Другими словами, действия обоих полей будут выравнивать друг друга и результирующее поле в проводнике будет равно нулю. Если нет электрического поля, нет кулоновской силы для сдвига зарядов. Таким образом достигается состояния равновесия.

Электрическое поле внутри проводника всегда равно нулю. Электроны всегда следуют за более высоким потенциалом. Поскольку эффект внешнего поля нейтрализуется в точке равновесия и электроны перестают двигаться, можем сделать вывод что потенциал во всем проводнике стал равным. Это может показаться нелогичным, ведь там, где есть разница зарядов, должно быть электрическое напряжение. Так как в случае проводника одна сторона имеет положительный заряд, а другая - отрицательный, почему нет напряжения?

Причина во внешнем электрическом поле. Пока оно не было там, заряды были более или менее равномерно распределены, а потенциал в каждой точке проводника постоянным. Явление индукции заставляет проводник ощущать внешнее электрическое напряжение, как если бы оно находилось близко к его поверхности. Как только электроны почувствовали что поверхностный потенциал нарушен из-за внешнего поля, они немедленно улетели, чтобы отменить эффект и снова находиться под ровным потенциалом. Кажется, что заряд идет даже не поперек проводника, но с точки зрения проводника это точка равновесия. Если бы внезапно отключили внешнее поле, электроны ушли бы обратно в проводник, и потенциал снова уравнялся.

Что такое изолятор

Проводники хорошо справляются с внешним электрическим полем. Но в случае с такими материалами как стекло, резина, дерево или пластиковый куб, показанный на примере ранее, все выглядит не так хорошо.

Изоляторы (или диэлектрики) - это материалы, электроны которых прочно связаны с атомами и молекулами. На практике это означает, что они практически не могут двигаться. Конечно, достаточно большая сила способна разделить даже самые связанные атомы, но изоляторы в этом отношении гораздо более устойчивы, чем проводники. Поскольку электроны в изоляторе не могут двигаться, почему пластиковый куб все еще реагирует на внешнее электрическое поле?

Поляризация атомов

Тот факт, что заряды изолятора не могут двигаться не означает, что они не могут растягиваться. Давайте посмотрим что происходит с одиночным атомом диэлектрика под воздействием внешнего электрического поля.

Под действием электрического поля на электроны и ядро атома действует сила, которая «растягивает» атом. В данном примере на атом действует разность потенциалов двух противоположно заряженных пластин. Атом в целом электронейтрален, но составляющие его заряды - нет. В результате электроны притягиваются высоким потенциалом, а ядро атома - низким. Сила притяжения невелика, но ее достаточно чтобы вызвать небольшое смещение зарядов относительно центральной оси атома. Таким образом, с обеих сторон создается разница в заряде.

Под действием электрического поля заряды накапливаются с обеих сторон атома. Этот эффект называется электронной поляризацией. Благодаря этому атом, изначально нейтральный, становится электрическим диполем, то есть системой двух противоположных зарядов, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Если поместим под действие поля более крупный диэлектрик, все его атомы будут подвержены указанному эффекту и станут диполями. Поскольку полярность каждого атома соответствует одному и тому же направлению, то можем предположить что весь диэлектрик становится поляризованным.

Диэлектрическая полярность

Диэлектрик состоит из электрически нейтральных атомов, которые становятся диполями под действием электрического поля. Влияет ли как-то полярность диэлектрика на электрическое поле? Конечно. Эффект не такой впечатляющий как в проводниках, где поле полностью выровнено, но поляризованный изолятор значительно снижает напряженность внешнего поля.

Поляризация сферического атома это лишь верхушка айсберга. Многие диэлектрики состоят из многоатомных частиц всех форм и размеров. Степень поляризации таких объектов во многом зависит от направления электрического поля. Другой вопрос - поляризация диэлектриков из ионов.

В этом случае под действием электрического поля ионы движутся навстречу соответствующим потенциалам. Ионы - довольно массивные молекулы, поэтому эффект довольно медленный.

Все описанные выше случаи объединяет одно - если отключим электрическое поле, эффект поляризации исчезнет. Но есть группа частиц, которые поляризованы естественным образом из-за своей структуры. Этот эффект сохраняется независимо от того находятся ли они под воздействием внешнего поля или нет. Такие объекты называют полярными частицами и в их число входит даже вода.

Молекула воды (H2O) - это молекула, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В верхней части молекулы имеется больший положительный заряд, чем в нижней. Следовательно, можем рассматривать молекулу воды как естественный электрический диполь. Поскольку вода поляризована по своей природе, влияет ли на нее электрическое поле? Покажем это на примере емкости для воды. Несмотря на то что все молекулы (H2O) в таком резервуаре поляризованы, сам резервуар остается электрически нейтральным. Это связано с совершенно случайным расположением молекул. Маленькие водные диполи указываются в совершенно разных направлениях, и их поляризационные эффекты нейтрализуют друг друга.

Изначально хаотические молекулы воды ориентируются в одном направлении под действием электрического поля. Согласно закону Кулона, сила должна действовать на заряды окруженные электрическим полем, и вода тоже. Когда имели дело с неподвижными атомами, единственной возможностью было их растянуть. У воды нет этой проблемы, поскольку ее молекулы могут свободно перемещаться. Кулоновская сила заставит их вращаться, и этот эффект называется ориентационной поляризацией. Через некоторое время все молекулы станут более или менее одинаковыми, и в результате весь резервуар станет поляризованным. Конечно если выключим электрическое поле, хаотическое расположение молекул через некоторое время восстановится.

Все эти концепции выступают причиной явлений, с которыми имеет дело электрика и электроника:

  • сохраняя эффект смещения электронов в проводниках, можем вырабатывать электричество.
  • исчезновение электрического поля в проводнике приводит к тому, что его внутренняя часть оказывается отрезанной от внешнего мира - это явление называется в электронике экранированием.
  • из-за отсутствия движущихся зарядов изоляторы препятствуют прохождению тока - используем изоляцию проводника.
  • если на пути электрического поля появляется изолятор, это поле уменьшается. Благодаря этому можем значительно увеличить электрическую емкость, то есть количество энергии, которое может хранить конденсатор.

В принципе этого достаточно чтоб понять, что такое проводники и изоляторы электричества, а если остались непонятные моменты - заходите на форум.

   Форум по теории электроники

   Форум по обсуждению материала ПРОВОДНИКИ И ИЗОЛЯТОРЫ



ИОНИСТОРЫ В СХЕМАХ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

Теория и практика применения суперконденсаторов в различных системах беспроводной связи IoT.


ВОЗМОЖНОСТИ БЕСПРОВОДНОГО ПИТАНИЯ

Про использование технологии беспроводного питания различных устройств.


РАЗЛИЧИЯ LI-ION, LI-PO И LIFEPO4 АКБ

Элементы и батареи Li-Ion, Li-Po и LiFePO4 - особенности каждого типа литиевых аккумуляторов и основные различия.


ПРОВОДНИКИ И ИЗОЛЯТОРЫ

Что такое изолятор и чем он отличается от токопроводящего материала. Занимательная теория радиоэлектроники.



   Радиосхемы » Теория электроники



© 2010-2022 "Радиосхемы". All Rights Reserved  Почта  PDA