Задачей физики диэлектриков прежде всего является установление закономерностей и создание теории взаимодействия электромагнитного поля и вещества, на основе которой можно не только объяснять сами явления этого взаимодействия, но и прогнозировать свойства и поведение диэлектриков при изменении параметров состояния, а также разрабатывать различные материалы с заранее заданными свойствами.
Физически эта задача сводится к теоретическому и опытного установления связи между химическим составом, агрегатным состоянием, структурой диэлектриков и их макроскопическим свойствам.
Термин «диэлектрик» впервые ввел М. Фарадей в 1837 для характеристики веществ, в которые проникает электрическое (электромагнитное) поле. Чаще всего под диэлектриками понимают вещества, через которые в идеальном случае не проходит, а на практике плохо проходит электрический ток.
Это обусловлено внутренним строением атомов и молекул диэлектриков и, прежде всего, отсутствием у них таких зарядов, которые могли бы под действием поля свободно перемещаться на макроскопические расстояния.
Внутренние устройство диэлектриков
Диэлектрики состоят из нейтральных атомов и молекул, положительный заряд которых сосредоточен в ядрах, а отрицательный – в электронных слоях.
Эти заряды размещены в разных точках пространства и в результате непрерывного движения их размещения постоянно меняется. Диэлектрики представляют собой электрически нейтральные системы зарядов, когда суммарный положительный и отрицательный заряды произвольного объема диэлектрического вещества одинаковы. Таковы диэлектрики-газы (кроме плазменного состояния), диэлектрики-жидкости (кроме электролитов и жидких металлов) и некоторые твердые вещества и материалы, которые не относятся к полупроводникам или металлам. Существуют твердые диэлектрики, состоящие не из нейтральных атомов или молекул, а из ионов противоположных знаков, равновесно расположенных в узлах кристаллической решетки. Такие диэлектрики можно представить разделенными на множество элементарных ячеек, и рассматривать эти ячейки с микроскопической точки зрения также как нейтральные системы.
Классификация диэлектриков
Связанное состояние зарядов, характерное для диэлектриков, является следствием химической связи между их ионами (ионная связь), отдельными атомами (ковалентная связь) и молекулами (связи, обусловленные силами Ван-дер-Ваальса). По химической связи среди твердых диэлектриков можно выделить ионные, ковалентные и молекулярные кристаллы, стекловидные и аморфные вещества, полимеры и тому подобное. Возможна также классификация диэлектриков по типу симметрии и по свойствам структурных единиц, из которых диэлектрик состоит из различных геометрических структур, например:
Где а – монопольные, б – дипольные, в – квадрупольные, г – октупольные диэлектрики. Такая классификация оказывается полезной при установлении связи макроскопических свойств диэлектриков с их микроструктурой.
Ни одной из классификаций диэлектриков нельзя предоставить преимущества, поскольку ни одна из них не является универсальной и каждая устанавливается, исходя из удобства и условий изучения объекта исследования.
Диэлектрическое состояние
При изучении электрических свойств диэлектриков надо говорить не о категории веществ, принадлежащих к классу диэлектриков, а о диэлектрическом состоянии вещества, когда оно обладает диэлектрическими свойствами, то есть таком, при котором относительное смещение электрических зарядов микрочастиц вещества во внешнем электрическом поле соизмеримо с размерами самих этих микрочастиц. Понятие о диэлектрическом состоянии вещества является физически обоснованным еще и потому, что и само вещество при различных термодинамических параметрах состояния может быть диэлектриком, полупроводником или и проводником. Идеальным диэлектрик может быть только при абсолютном нуле температуры. С повышением температуры вследствие нарушения связей между заряженными частицами могут появиться заряды, которые обусловливают большую или меньшую проводимость вещества. Например, если включить в электрическую сеть лампочку накаливания и подсоединить последовательно с ней стеклянную трубку, то при комнатной температуре лампочка не светит, то есть стекло является диэлектриком:
При нагревании стеклянной трубки лампочка начинает светиться и с повышением температуры стекла будет все ярче. Итак, нагретое стекло становится проводником электричества.
Статья по физике на заказ от проверенных исполнителей!
Комментарии