Меню

Диэлектрическая проницаемость газов таблица

3.1. Диэлектрическая проницаемость

Еще М. Фарадей обнаружил, что если между обкладками конденсатора поместить диэлектрическую пластину, то емкость конденсатора возрастает.

На рис. 3.2 показан опыт, в котором демонстрируется зависимость емкости конденсатора от свойств среды между его обкладками. Между пластинами заряженного плоского конденсатора, присоединенного к электрометру, помещают диэлектрик — пластину из оргстекла. При этом показания электрометра уменьшаются, что говорит об увеличении емкости конденсатора. После удаления диэлектрика разность потенциалов увеличивается, возвращаясь к прежнему значению.

Рис. 3.2. Исследование зависимости емкости плоского конденсатора от диэлектрических свойств среды

Когда изолятор заполняет все пространство между обкладками, емкость конденсатора возрастает в раз, где безразмерная величина принимает разные значения для различных материалов. Эта величина называется диэлектрической проницаемостью данного вещества.

Рассмотрим снова плоский конденсатор. Зарядим его и вставим внутрь диэлектрическую пластину (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Плоский конденсатор с диэлектрической пластиной между обкладками

Величины, относящиеся к конденсатору без диэлектрика, будем снабжать индексом 0. Так как заряд конденсатора не меняется при помещении в него диэлектрика, записываем соотношения

Здесь мы использовали экспериментальный факт увеличения емкости конденсатора с диэлектриком в раз. Из соотношений (3.1) следует, что при том же заряде на обкладках разность их потенциалов U уменьшается в раз по сравнению с «пустым» конденсатором

Поскольку поле в плоском конденсаторе однородно, получаем следующую связь между напряженностью Е поля в вакууме и в диэлектрике Е

Иными словами, присутствие диэлектрика между пластинами может приводить к уменьшению напряженности электрического поля в конденсаторе.

Необходимо отметить, что простое уменьшение поля в раз внутри диэлектрика имеет место тогда и только тогда, когда поверхность диэлектрика представляет собой эквипотенциальную поверхность того поля, которое было бы в отсутствие диэлектрика. Именно этот случай и имеет место при помещении в плоский конденсатор плоскопараллельной диэлектрической пластины, внешние плоские поверхности которой параллельны плоским обкладкам конденсатора и, соответственно, совпадают с двумя эквипотенциальными поверхностями поля конденсатора без диэлектрика. То же самое имеет место, например, в случае помещения в сферический конденсатор сферического слоя диэлектрика с поверхностями концентрическими обкладкам этого конденсатора.

Если, к примеру, в однородное электрическое поле (как в идеальном плоском конденсаторе) поместить плоскопараллельную диэлектрическую пластину так, что её поверхности составят некоторый угол с направлением поля и, тем самым, они не будут совпадать с его эквипотенциальными поверхностями, то величина поля внутри этой пластины будет довольно сложным образом зависеть от угла , и будет равна только при . Не следует также думать, что внесение в поле диэлектрика всегда приводит к уменьшению напряженности поля, она может и возрасти: всё зависит от «геометрии» задачи. Ниже на рисунке 3.4 показано, что при помещении в электрическое поле тонкого длинного диэлектрического стержня параллельно силовым линиям внешнего поля, напряженность поля вне стержня у его концов увеличивается в результате появления на концах стержня «поляризационных» зарядов.

Рис. 3.4. Напряженность поля на оси тонкого диэлектрического стержня

Уменьшение разности потенциалов между обкладками и увеличение емкости конденсатора мы наблюдали в решенной выше задаче о сферическом конденсаторе с металлической оболочкой между обкладками. Там причина уменьшения разности потенциалов была ясна: на оболочке наводились индуцированные заряды, которые компенсировали внешнее поле от обкладок. Соответственно, электрическое поле существовало только в пространстве, не занятом оболочкой. Если бы оболочка заняла весь объем конденсатора, разность потенциалов между обкладками и поле внутри него стали бы равными нулю.

В диэлектрике нет зарядов, способных перемещаться по всему его объёму, но идея возникновения на его поверхности каких-то дополнительных зарядов (их называют в этом случае поляризационными или связанными) кажется привлекательной из-за возможности объяснить экспериментальные факты. Поэтому мы принимаем макроскопическую модель, которая, разумеется, должна быть обоснована впоследствии на микроскопическом уровне и проверена на практике вместе со всеми ее следствиями. Мы предположим, что при помещении диэлектрика в электрическое поле на его поверхности возникают поляризационные заряды с плотностью (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Сферическая частица в однородном электрическом поле напряжённостью Е.
Знаками «+» и «–» показаны связанные заряды, возникшие на поверхности частицы при её поляризации.
Электрические силы, действующие на положительные (F+) и отрицательные (F) связанные заряды, одинаковы

Поляризационные заряды создают дополнительное электрическое поле , направленное противоположно полю от зарядов на обкладках (см. рис. 3.3). Это и объясняет меньшую величину результирующего поля Е по сравнению с полем E. Действительно, для простейшей геометрии плоского конденсатора (см. выше замечание о форме поверхности диэлектрика) изменение поля в диэлектрике сводится только к изменению величины его напряженности в раз

Отсюда мы находим, какая часть результирующего поля создается поляризационными зарядами, а какая — зарядами на обкладках

Отрицательный знак указывает на противоположное направление поля поляризационных зарядов. Зная связь поверхностной плотности зарядов с напряженностью создаваемого ими поля

Находим плотность поляризационных зарядов

Заметим, что случаю проводника соответствует предел

Действительно, тогда , а поле внутри материала полностью компенсируется, получаем

Значения e для некоторых диэлектриков приведены в таблице (для газов — при нормальных условиях).

Таблица

Значения диэлектрической проницаемости для некоторых веществ

Источник

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость — величина, характеризующая диэлектрические свойства среды — её реакцию на электрическое поле:

D = εF
В большинстве диэлектриков при не очень сильных полях диэлектрическая проницаемость не зависит от поля Е. В сильных же электрических полях (сравнимых с внутриатомными полями), а в некоторых диэлектриках в обычных полях зависимость D от Е — нелинейная.

Так же диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия Fo в вакууме:

Диэлектрическая проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость вещества может быть определена путем сравнения ёмкости тестового конденсатора с данным диэлектриком (Cx) и ёмкости того же конденсатора в вакууме (Co):

Диэлектрическая проницаемость

Таблица значений диэлектрической проницаемости для твердых тел:

Диэлектрическая проницаемость

Таблица значений диэлектрической проницаемости для жидкостей:

Диэлектрическая проницаемость

Таблица значений диэлектрической проницаемости для газов:

Диэлектрическая проницаемость

Обозначение в формуле:

D — электрическая индукция в среде;

ε — диэлектрическая проницаемость среды;

E — напряжённость электрического поля;

F — сила взаимодействия между зарядами в среде;

F — сила взаимодействия между зарядами в вакууме;

Cx — ёмкость конденсатора в среде;

C — ёмкость конденсатора в вакууме.

Ещё картинки на тему диэлектрическая проницаемость:

Источник



Диэлектрическая проницаемость газов таблица

Относительная диэлектрическая проницаемость зависит от целого ряда внешних факторов – частоты приложенного к диэлектрику напряжения, параметров окружающей среды: температуры, давления и влажности. Все перечисленные факторы по-разному влияют на значение ε, в зависимости, во-первых, от механизма поляризации, существующего в диэлектрике, и, во-вторых, от того, в каком агрегатном состоянии находится диэлектрик – газообразном, жидком или твердом. Это связано с тем, что при фазовых переходах существенно меняются плотность вещества, его вязкость и изотропность. Кроме того, диэлектрическая проницаемость зависит от однородности диэлектрика.

Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты

Как уже отмечалось, время установления электронной и ионной поляризации весьма мало по сравнению с полупериодом напряжения даже при наиболее высоких частотах, используемых в электро- и радиотехнике, поэтому у таких диэлектриков нет заметной зависимости ε от частоты (рисунок 4.8). У этих веществ квадрат показателя преломления света практически равен ε; например, для неполярного газа водорода n = 1,00014, n 2 = 1,00028, ε = 1,00027, а для алмаза – вещества с очень большим показателем преломления — n = 2,4, n 2 = 5,76, ε = 5,7.

Читайте также:  15 машин с наилучшей аэродинамикой

Рисунок 4.8 – Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для неполярных диэлектриков

У ионных кристаллов ε начинает зависеть от частоты в инфракрасном диапазоне (10 12 –10 14 Гц). В видимой части спектра ионы не успевают смещаться вслед за изменением поля, и ионная поляризация отсутствует. Значение ε > n 2 . Так, например, у хлористого натрия NaCl n = 1,52, n 2 = 2,32, но ε = 5,85; у фтористого лития LiF n = 1,38, n 2 = 1,90, но ε = 9,25.

У полярных диэлектриков диэлектрическая проницаемость ε также значительно больше, чем n 2 . Например, у аммиака NH3 (полярный газ) n = 1,00018; n 2 = 1,00036; ε = 1,00072, а у воды эта разница еще больше: n = 1,333; n 2 = 1,78; ε = 81. При небольших частотах (время релаксации остается меньше полупериода электрического поля 1/(2f)), пока диполи успевают следовать за изменением поля, значение ε велико и близко к значению при постоянном напряжении. Когда же частота становится настолько большой, что инерционность диполей не позволяет им следовать за полем, значение ε уменьшается. Это снижение начинается уже в радиочастотном диапазоне (рисунок 4.9), когда циклическая частота внешнего электрического поля ω = 2πf приближается к циклической частоте релаксации диэлектрика ωр = 1/τ, где τ – время релаксации.

Рисунок 4.9 – Зависимость диэлектрической проницаемости ε от частоты f для полярного полимера политрифторхлорэтилена при различных температурах

Изменение ε с изменением частоты называется диэлектрической дисперсией. Она может быть двух видов: релаксационная и резонансная. Релаксационной называется дисперсия, выражающаяся в монотонном снижении ε с ростом частоты; она характерна для дипольной и миграционной поляризации. Если в диэлектрике происходит электронная или ионная поляризация, дисперсия является резонансной: ε вначале растет, затем уменьшается, проходя через максимум и минимум, и достигает высокочастотного значения (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 – Диэлектрическая дисперсия: а – релаксационная; б – резонансная

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры

У неполярных диэлектриков температура на процесс поляризации непосредственно не влияет, т.к. электронная поляризуемость α молекул от температуры не зависит. Однако вследствие теплового расширения вещества количество поляризующихся молекул в единице объема уменьшается и ε при повышении температуры также должна уменьшаться (рисунок 4.11, а, б), т.е. температурный коэффициент диэлектрической проницаемости для неполярных диэлектриков отрицателен:

. (4.24)

Резкое изменение ε на графике (зависимость (а) на рисунке 4.11) для кристаллического диэлектрика – парафина – объясняется ярко выраженным фазовым переходом из твердого состояния в жидкое. Этот переход связан со скачкообразным изменением объема и плотности. При фазовом переходе из конденсированного состояния в газообразное значение ε также скачкообразно уменьшается до характерного для газов значения, близкого к единице.

У большинства твердых ионных диэлектриков (кристаллы, стекла, керамические материалы, ситаллы и др.) значение ε с ростом температуры также увеличивается (зависимость (г) на рисунке 4.11), что объясняется ростом ионной поляризуемости. Исключением являются вещества с изначально высоким значением ε, такие как рутил TiO2, перовскит CaTiO3 и некоторые другие, у которых ТКε 3 ) выражается приближенной формулой ε ≈ 2,276 + 0,002(D – 920).

Зависимость диэлектрической проницаемости от влажности

У гигроскопичных диэлектриков ε обычно заметно увеличивается при увлажнении, что объясняется высоким значением ε у воды.

Диэлектрическая проницаемость газов

Газообразные вещества имеют очень маленькую плотность из-за больших расстояний между молекулами, поэтому поляризация их также очень мала и значение ε близко к 1. Поляризация газа может быть чисто электронной или дипольной, если молекулы газа полярны, однако и в этом случае основное значение имеет электронная поляризация.

Диэлектрическая проницаемость газов тем больше, чем больше радиус молекулы газа, и численно близка квадрату коэффициента преломления света для этого газа.

Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления определяется числом молекул в единице объема газа, которое пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре (рисунок 4.12).

Рисунок 4.12 – Зависимость диэлектрической проницаемости газов от температуры и давления

Количественными оценками степени влияния температуры и давления являются температурный коэффициент ТКε и барический коэффициент ДКε, которые для неполярных газов определяются как:

(4.26)

Диэлектрическая проницаемость жидкостей

Жидкие диэлектрики также могут состоять из неполярных и полярных молекул.

Значение диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей (например, трансформаторного масла) определяется электронной поляризацией, поэтому оно невелико и обычно не превышает 2,5. Зависимость ε от температуры связана с уменьшением числа молекул в единице объема, т.е. с уменьшением плотности; температурный коэффициент по абсолютному значению близок к температурному коэффициенту объемного расширения, но отличается от него знаком. От частоты значение ε у неполярных жидкостей не зависит, поэтому они могут применяться на всех частотах.

В полярных жидкостях значение ε лежит в диапазоне 3,5–5. В них, кроме электронной, присутствует дипольная поляризация, поэтому значение ε зависит как от температуры, так и от частоты. Эти диэлектрики применяются на низких частотах. Примером такого диэлектрика может служить совол.

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков

У твердых диэлектриков ε может принимать различные значения в зависимости от структурных особенностей; кроме того, в твердых диэлектриках возможны все виды поляризации. Наименьшее значение ε (1,9–6) имеют твердые диэлектрики, состоящие из неполярных молекул и обладающие только электронной поляризацией, например, полистирол, парафин, алмаз.

Ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц обладают еще ионной поляризацией, поэтому у них значение ε меняется в широких пределах (6–150). К ним относятся, например, кварц, слюда, корунд. ТКε ионных кристаллов, как правило, положителен, вследствие того, что при повышении температуры происходит не только уменьшение плотности вещества, но и возрастание смещения ионов. Влияние этого фактора сказывается на изменении ε сильнее, чем изменение плотности. Исключением, как уже отмечалось, являются кристаллы, содержащие ионы титана. Отрицательный ТКε этих материалов обусловлен специфическим взаимодействием электронных оболочек ионов титана и кислорода. Ионные кристаллы с неплотной упаковкой частиц (например, электротехнический фарфор), кроме электронной и ионной, участвуют в ионно-релаксационной поляризации. Значение ε для этой группы диэлектриков составляет 4–10.

Различные неорганические стекла, близкие по строению к аморфным диэлектрикам, имеют значение ε примерно от 4 до 20; ТКε таких стекол обычно положителен.

Диэлектрическая проницаемость полярных органических диэлектриков (например, целлюлоза, полимеры) подчиняется тем же закономерностям, что и у дипольных жидкостей, а значение ε находится в диапазоне от 4 до 10.

Диэлектрическая проницаемость неоднородных диэлектриков

Неоднородные, или сложные диэлектрики представляют собой смесь химически невзаимодействующих друг с другом компонентов с различными значениями диэлектрической проницаемости. Если ε компонентов различаются не очень сильно, диэлектрическую проницаемость такого диэлектрика можно определить по уравнению Лихтенеккера, которое определяется для расчета самых разных физических свойств сложных диэлектриков – теплопроводности, показателя преломления и т.д. В общем виде оно имеет вид

где А, А1, А2 – рассчитываемое свойство смеси и отдельных компонентов;

С1, С2 – объемные концентрации компонентов, C1 + C2 = 1;

х – величина, характеризующая распределение компонентов и принимающая значение от +1 до -1.

Если плоский конденсатор с неоднородным диэлектриком можно рассматривать как m параллельно соединенных конденсаторов с однородными диэлектриками, то х = +1 и относительная диэлектрическая проницаемость εн неоднородного диэлектрика определяется по формуле

(4.28)

где Ci – объемная концентрация i-го компонента;

m – количество параллельно расположенных компонентов неоднородного диэлектрика;

εi – диэлектрическая проницаемость i-го компонента.

Если плоский конденсатор с неоднородным диэлектриком можно рассматривать как m последовательно соединенных конденсаторов с однородными диэлектриками, то х = -1 и значение εн определяется как

. (4.29)

В случае хаотического распределения обоих компонентов (например, в керамике) уравнение Лихтенеккера имеет вид (х = 0)

(4.30)

ТКε сложных диэлектриков находится дифференцированием выражения (4.30) по температуре:

(4.31)

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Источник

диэлектрическая проницаемость

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое «диэлектрическая проницаемость» в других словарях:

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. В изотропной среде e связана с диэлектрической восприимчивостью c соотношением: e = 1 + 4pc. Диэлектрическая проницаемость… … Большой Энциклопедический словарь

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — величина e, характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрич. поля Е. Д. п. входит в Кулона закон как величина, показывающая, во сколько раз сила вз ствия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Ослабление вз… … Физическая энциклопедия

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, Величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Величина e колеблется в широких пределах: водород 1,00026, трансформаторное масло 2,24,… … Современная энциклопедия

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — (обозначение e), в физике одно из свойств различных материалов (см. ДИЭЛЕКТРИК). Выражается отношением плотности ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТОКА в среде к напряженности ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, которое его вызывает. Диэлектрическая проницаемость вакуума… … Научно-технический энциклопедический словарь

диэлектрическая проницаемость — Величина, характеризующая диэлектрические свойства вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность электрического поля равно электрическому смещению. [ГОСТ Р 52002 2003]… … Справочник технического переводчика

Диэлектрическая проницаемость — ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Величина e колеблется в широких пределах: водород 1,00026, трансформаторное масло 2,24,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Диэлектрическая проницаемость — величина, характеризующая диэлектрические свойства вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность электрического поля равно электрическому смещению. Источник:… … Официальная терминология

диэлектрическая проницаемость — абсолютная диэлектрическая проницаемость; отрасл. диэлектрическая проницаемость Скалярная величина, характеризующая электрические свойства диэлектрика равная отношению величины электрического смещения к величине напряженности электрического поля … Политехнический терминологический толковый словарь

Диэлектрическая проницаемость — Абсолютная диэлектрическая проницаемость Относительная диэлектрическая проницаемость Диэлектрическая проницаемость вакуума … Википедия

диэлектрическая проницаемость — dielektrinė skvarba statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrinio srauto tankio tiriamojoje medžiagoje ir elektrinio lauko stiprio santykis. atitikmenys: angl. dielectric constant; dielectric permittivity; permittivity rus. диэлектрическая… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Источник

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Данный раздел физики, охватывающий знания о статическом электричестве, электрических токах и магнитных явлениях является основополагающим для электротехники и электроники , и изучает физические явления, возникающие при распределении и движении электрических зарядов.

Основополагающая причинно-следственная связь в электромагнитных явлениях такова: неравномерное распределение зарядов вызывает электрическое поле; изменение положения зарядов, их движение – это электрический ток, который вызывает магнитное поле; изменение тока вызывает излучение электромагнитного поля.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

В электростатике рассматриваются явления, связанные с покоящимися электрическими зарядами. Наличие сил, действующих между такими зарядами, было отмечено еще во времена Гомера. Слово “электричество” происходит от греческого e lektron (янтарь), поскольку первые описанные в истории наблюдения электризации трением связаны именно с этим материалом. В 1733 Ш. Дюфе (1698–1739) открыл, что существуют электрические заряды двух типов. Заряды одного типа образуются на сургуче, если его натирать шерстяной тканью, заряды другого типа – на стекле, если его натирать шелком. Одинаковые заряды отталкиваются, разные – притягиваются. Заряды разных типов, соединяясь, нейтрализуют друг друга. В 1750 Б. Франклин (1706–1790) разработал теорию электрических явлений, основанную на предположении, что все материалы содержат некую “электрическую жидкость”. Он полагал, что при трении двух материалов друг о друга часть этой электрической жидкости переходит с одного из них на другой (при этом общее количество электрической жидкости сохраняется). Избыток электрической жидкости в теле сообщает ему заряд одного типа, а ее недостаток проявляется как наличие заряда другого типа. Франклин решил, что при натирании сургуча шерстяной тканью шерсть отнимает у него некоторое количество электрической жидкости. Поэтому он назвал заряд сургуча отрицательным.

Взгляды Франклина очень близки современным представлениям, согласно которым электризация трением объясняется перетеканием электронов с одного из трущихся тел на другое. Но поскольку в действительности электроны перетекают с шерсти на сургуч, в сургуче возникает избыток, а не недостаток этой электрической жидкости, которая теперь отождествляется с электронами. У Франклина не было способа определить, в каком направлении перетекает электрическая жидкость, и его неудачному выбору мы обязаны тем, что заряды электронов оказались “отрицательными”. Хотя такой знак заряда вызывает некоторую путаницу у приступающих к изучению предмета, эта условность слишком прочно укоренилась в литературе, чтобы говорить об изменении знака заряда у электрона после того, как его свойства уже хорошо изучены.

С помощью крутильных весов, разработанных Г. Кавендишем (1731–1810), в 1785 Ш. Кулон (1736–1806) показал, что сила, действующая между двумя точечными электрическими зарядами, пропорциональна произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, а именно:

где F – сила, с которой заряд q отталкивает заряд того же знака q’, а r – расстояние между ними. Если знаки зарядов противоположны, то сила F отрицательна и заряды не отталкивают, а притягивают друг друга. Коэффициент пропорциональности K зависит от того, в каких единицах измеряются F, r, q и q’.

Единицы измерения заряда первоначально не существовало, но закон Кулона дает возможность ввести такую единицу. Этой единице измерения электрического заряда присвоено название “кулон” и сокращенное обозначение Кл, C. Один кулон (1 Кл) представляет собой заряд, который остается на первоначально электрически нейтральном теле после удаления с него 6,242*10 18 электронов.

Читайте также:  Таблицы для excel образцы

Если в формуле (1) заряды q и q’ выражены в кулонах, F – в ньютонах, а r – в метрах, то K = 8,9876*10 9 H*м 2 /Кл 2 , т.е. примерно 9*10 9 Н*м 2 /Кл . Обычно вместо K используют константу e 0 = 1/4 π K. Хотя при этом выражение для закона Кулона немного усложняется, это позволяет обходиться без множителя 4 π в других формулах, которые применяются чаще закона Кулона.

Электростатические машины и лейденская банка

Машину для получения статического заряда большой величины путем трения изобрел примерно в 1660 О. Герике (1602-1686), описавший ее в книге «Новые опыты о пустом пространстве» («De vacuo spatio», 1672). Вскоре появились другие варианты такой машины. В 1745 Э. Клейст из Каммина и независимо от него П. Мушенбрук из Лейдена обнаружили, что стеклянную посудину, выложенную изнутри и снаружи проводящим материалом, можно использовать для накопления и хранения электрического заряда. Стеклянные банки, выложенные изнутри и снаружи оловянной фольгой — так называемые лейденские банки — были первыми электрическими конденсаторами. Франклин показал, что при зарядке лейденской банки наружное покрытие из оловянной фольги (наружная обкладка) приобретает заряд одного знака, а внутренняя обкладка — равный по величине заряд противоположного знака. Если обе заряженные обкладки приводятся в соприкосновение или соединяются проводником, то заряды полностью исчезают, что свидетельствует об их взаимной нейтрализации. Отсюда следует, что заряды свободно перемещаются по металлу, но не могут перемещаться по стеклу. Материалы типа металлов, по которым заряды передвигаются свободно, были названы проводниками, а материалы типа стекла, через которые заряды не проходят, — изоляторами (диэлектриками).

Диэлектрики

Идеальный диэлектрик – это материал, внутренние электрические заряды которого связаны настолько прочно, что он не способен проводить электрический ток. Поэтому он может служить хорошим изолятором. Хотя идеальных диэлектриков в природе не существует, проводимость многих изоляционных материалов при комнатной температуре не превышает 10 –23 проводимости меди; во многих случаях такую проводимость можно считать равной нулю.

Диэлектрическая проницаемость

Одним из важнейших параметров диэлектрика является его диэлектрическая проницаемость.

Существует три физические единицы диэлектрической проницаемости, однозначно связанные между собой.

Значение диэлектрической проницаемости различных веществ приведены в таблице ниже.

Значения диэлектрической проницаемости различных веществ

Проводники

Кристаллическая структура и распределение электронов в твердых проводниках и диэлектриках сходны между собой. Основное различие заключается в том, что в диэлектрике все электроны прочно связаны с соответствующими ядрами, тогда как в проводнике имеются электроны, находящиеся во внешней оболочке атомов, которые могут свободно перемещаться по кристаллу. Такие электроны называют свободными электронами или электронами проводимости, поскольку они являются переносчиками электрического заряда. Число электронов проводимости, приходящихся на один атом металла, зависит от электронной структуры атомов и степени возмущения внешних электронных оболочек атома его соседями по кристаллической решетке. У элементов первой группы периодической системы элементов (лития, натрия, калия, меди, рубидия, серебра, цезия и золота) внутренние электронные оболочкизаполнены целиком, а во внешней оболочке имеется один-единственный электрон. Эксперимент подтвердил, что у этих металлов приходящееся на один атом число электронов проводимости приблизительно равно единице. Однако для большинства металлов других групп характерны в среднем дробные значения числа электронов проводимости в расчете на один атом. Например, у переходных элементов – никеля, кобальта, палладия, рения и большинства их сплавов – число электронов проводимости на один атом равно примерно 0,6. Число носителей тока в полупроводниках гораздо меньше. Например, в германии при комнатной температуре оно порядка 10 –9 . Чрезвычайно малое число носителей в полупроводниках приводит к возникновению у них множества интересных свойств.

Тепловые колебания кристаллической решетки в металле поддерживают постоянное движение электронов проводимости, скорость которых при комнатной температуре достигает 10 6 м/с. Поскольку это движение хаотично, оно не приводит к возникновению электрического тока. При наложении же электрического поля появляется небольшой общий дрейф. Этот дрейф свободных электронов в проводнике и представляет собой электрический ток. Поскольку электроны заряжены отрицательно, условное направление тока (как движение положительных зарядов) противоположно направлению их дрейфа.

Разность потенциалов

Для описания свойств конденсатора необходимо ввести понятие разности потенциалов. Если на одной обкладке конденсатора имеется положительный заряд, а на другой – отрицательный заряд той же величины, то для переноса дополнительной порции положительного заряда с отрицательной обкладки на положительную необходимо совершить работу против сил притяжения со стороны отрицательных зарядов и отталкивания положительных. Разность потенциалов между обкладками определяется как отношение работы по переносу пробного заряда к величине этого заряда; при этом предполагается, что пробный заряд значительно меньше заряда, находившегося первоначально на каждой из обкладок. Несколько видоизменив формулировку, можно дать определение разности потенциалов между любыми двумя точками, которыемогут находиться где угодно: на проводе с током, на разных обкладках конденсатора либо просто в пространстве. Это определение таково: разность потенциалов между двумя точками пространства равна отношению работы, затрачиваемой на перемещение пробного заряда из точки с более низким потенциалом в точку с более высоким потенциалом, к величине пробного заряда. Снова предполагается, что пробный заряд достаточно мал и не нарушает распределения зарядов, создающих измеряемую разность потенциалов. Разность потенциалов V измеряется в вольтах (В) при условии, что работа W выражена в джоулях (Дж), а пробный заряд q – в кулонах (Кл).

Постоянный ток

В 1780 Л. Гальвани (1737–1798) заметил, что заряд, подводимый от электростатической машины к лапке мертвой лягушки, заставляет лапку резко дергаться. Более того, лапки лягушки, закрепленной над железной пластинкой на латунной проволочке, введенной в ее спинной мозг, дергались всякий раз, как только касались пластинки. Гальвани правильно объяснил это тем, что электрические заряды, проходя по нервным волокнам, заставляют мышцы лягушки сокращаться. Это движение зарядов было названо гальваническим током.

После опытов, проводившихся Гальвани, Вольта (1745–1827) изобрел так называемый вольтов столб – гальваническую батарею из нескольких последовательно соединенных электрохимических элементов. Его батарея состояла из чередовавшихся медных и цинковых кружочков, разделенных влажной бумагой, и позволяла наблюдать те же явления, что и электростатическая машина.

Повторяя опыты Вольты, Никольсон и Карлейль в 1800 обнаружили, что посредством электрического тока можно нанести медь из раствора сульфата меди на медный проводник. У. Волластон (1766–1828) получил такие же результаты с помощью электростатической машины. М. Фарадей (1791–1867) показал в 1833, что масса элемента, получаемого с помощью электролиза, производимого данным количеством заряда, пропорциональна его атомной массе, деленной на валентность. Это положение ныне называют законом Фарадея для электролиза.

Поскольку электрический ток представляет собой перенос электрических зарядов, естественно определить единицу силы тока как заряд в кулонах, который ежесекундно проходит через данную площадку. Сила тока 1 Кл/с была названа ампером в честь А. Ампера (1775–1836), открывшего многие важные эффекты, связанные с действием электрического тока.

Источник