Warto przeczytać

Aby możliwy był przepływ prądu przez materiał potrzebne są nośniki ładunku elektrycznego. Są nimi na przykład elektrony. Metale, które dobrze przewodzą prąd elektryczny, mają budowę krystaliczną: dodatnie jony znajdują się w węzłach sieci krystalicznej, a elektrony walencyjneelektrony walencyjneelektrony walencyjne poruszają się w obrębie całego kryształu. Dzięki nim możliwy jest przepływ ładunków elektrycznych (przepływ prądu).

Istnieją substancje, w których takie nośniki nie występują (albo jest ich bardzo mało). W takich materiałach przepływ prądu jest praktycznie niemożliwy. Substancje te nazywanym izolatorami lub dielektrykami.

Ze względu na stan skupienia wyróżniamy dielektryki:

• stałe – mogą to być zarówno materiały organiczne (jak parafina, papier, drewno czy kauczuk), jak i nieorganiczne (np. porcelana, azbest czy szkło),

• ciekłe (np. oleje mineralne, syntetyczne czy silikonowe),

• gazowe, które są często wykorzystywane w układach izolacyjnych urządzeń elektrycznych (np. gazy szlachetne - argon, hel, neon; amoniak, powietrze, dwutlenek węgla).

Dielektryki wykazują bardzo ciekawe właściwości. Mimo że nie przewodzą prądu, to po umieszczeniu dielektryka w zewnętrznym polu elektrycznym wewnątrz niego powstaje wewnętrzne pole elektryczne – dielektryk ulega polaryzacji. Mechanizm powstawania tego zjawiska zależy od budowy dielektryka.

Ze względu na budowę wyróżniamy dwa typy dielektryków:

• polarne,

• niepolarne.

W dielektrykach polarnych cząsteczki są dipolami elektrycznymi, ponieważ mają niesymetryczny rozkład ładunku elektrycznego. Ładunek dodatni i ujemny w cząsteczce są względem siebie rozsunięte. Wielkością charakteryzującą dipole jest moment dipolowy $\overrightarrow{p}$. Moment dipolowy jest to iloczyn wartości ładunku q oraz wektora $\overrightarrow{l}$, mającego wartość równą odległości między ładunkami, kierunek prostej łączącej ładunki i zwrot od ładunku ujemnego do dodatniego:

RKVk3DDqT0qeb

Rys. 1. Na górze rysunku jest kółeczko oznaczone symbolem plus q, symbolizujące punktowy ładunek dodatni. Na dole kółeczko oznaczone symbolem minus q, symbolizujące punktowy ładunek ujemny. Pionowy wektor skierowany do góry ma początek w ładunku ujemnym, a koniec w ładunku dodatnim. Wektor oznaczony jest literą I (el). Obok narysowany jest skierowany pionowo do góry wektor oznaczony literą p, symbolizującą moment dipolowy.

Przykładem dielektryków polarnych jest kwas solny (HCl), o momencie dipolowym równym $p=3,70\cdot {10}^{-30}C\cdot m$, oraz woda (HIndeks dolny 2₂O) o momencie dipolowym równym $p=6,15\cdot {10}^{-30}C\cdot m$.

R14ky88Wytmj5

Rys. 2. Rysunek przedstawia symbolicznie cząsteczkę wody. Na rysunku jest duże koło z napisem tlen. Koło to symbolizuje atom tlenu. Nieco wyżej umieszczone są dwa mniejsze kółka z napisem wodór – symbole dwóch atomów wodoru. Kółka przedstawiające wodór, umieszczone są symetrycznie po obu stronach dużego koła, tak, że częściowo są przez duże koło zasłonięte. Środki małych kółek połączone są ze środkiem dużego koła przerywanymi odcinkami. Kąt między tymi odcinkami wynosi 105 stopni. Pośrodku dużego kola narysowany jest skierowany pionowo w górę wektor, oznaczony literą p, symbolizującą moment dipolowy cząsteczki wody.

Jeśli taki dipol umieścimy w zewnętrznym polu elektrycznym o natężeniu $\overrightarrow{E}$, to działa na niego moment siły $\overrightarrow{M}$:

W wyniku działania tego momentu siły dipol ustawia się wzdłuż linii sił pola tak, jak pokazano na Rys. 3.

R1MdBOjUsjaA3

Rys. 3. Rysunek przedstawia linie sił jednorodnego pola elektrycznego. Są to poziome, równoległe linie zakończone z prawej strony strzałkami. Wektor natężenia pola elektrycznego oznaczony jest literą duże E. Na tle linii sił pola narysowany jest dipol elektryczny, czyli dwa kółeczka symbolizujące punktowy ładunek dodatni i punktowy ładunek ujemny. Wektor el, o początku w ładunku ujemnym, a końcu w ładunku dodatnim, skierowany jest ukośnie w górę i w prawo. Do ładunku dodatniego, który znajduje się wyżej, przyłożony jest wektor siły wywieranej przez pole elektryczne skierowany w prawo. Wektor ten oznaczony jest literą duże F z indeksem dolnym plus. Do ładunku ujemnego, który znajduje się niżej, przyłożony jest wektor siły wywieranej przez pole elektryczne skierowany w lewo. Wektor ten oznaczony jest literą duże F z indeksem dolnym minus.

Uporządkowanie cząsteczek indukuje powstanie wewnętrznego pola elektrycznego skierowanego przeciwnie niż pole wewnętrzne.

W dielektrykach niepolarnych moment dipolowy cząsteczek jest równy zero. Jednak po umieszczeniu takiej cząsteczki w zewnętrznym polu elektrycznym ładunki ulegają uporządkowaniu – następuje rozsunięcie dodatnich ładunków (jąder atomowych) oraz ujemnych (elektronów). Zostaje wyindukowany moment dipolowy oraz wewnętrzne pole elektryczne.

R3c7p4TsqFbfm

Rys. 4. Na rysunku z lewej strony jest prostokąt przedstawiający dielektryk niepolarny, który nie znajduje się w zewnętrznym polu elektrycznym. Pod prostokątem jest równanie wektor E z indeksem dolnym zew równa się zero. Prostokąt wypełniony jest ciemnymi kółeczkami symbolizującymi cząsteczki. Na ich tle zapisano równanie: wektor E z indeksem dolnym wew równa się zero, co oznacza, że cząsteczki o momencie dipolowym równym zero nie wytwarzają wewnętrznego pola elektrycznego. Z prawej strony jest prostokąt przedstawiający dielektryk niepolarny, który znajduje się w zewnętrznym polu elektrycznym. Pod prostokątem jest równanie wektor E z indeksem dolnym zew nie równa się zero. Nad równaniem narysowano poziomy wektor natężenia zewnętrznego pola elektrycznego, który jest skierowany w lewo. Z prawej strony prostokąta znajdują się plusy, z lewej minusy. Znaki te symbolizują ładunki wytwarzające zewnętrzne pole elektryczne. Kółeczka symbolizujące cząsteczki dielektryka rozciągnęły się tu w poziome elipsy. Każda elipsa ma z lewej strony znak plus, a z prawej strony znak minus. W ten sposób pokazano, że w zewnętrznym polu elektrycznym w każdej cząsteczce ładunki dodatnie i ujemne uległy rozsunięciu. Na tle elips narysowano wektor poziomy skierowany w prawo i oznaczony literą E z indeksem dolnym wew. Oznacza to, że momenty dipolowe cząsteczek wytwarzają wewnętrzne pole elektryczne.

Przykładem dielektryków niepolarnych jest wodór (HIndeks dolny 2₂) oraz metan (CHIndeks dolny 4₄). Bez pola mają one zerowy moment dipolowy.

R6qdCzEMqDY9K

Rys. 5. Rysunek przedstawia 2 koła leżące obok siebie i lekko zachodzące na siebie. Koła te symbolizują 2 atomy wodoru połączone w cząsteczkę H dwa. W środku każdego koła znajduje się małe kółko ze znakiem plus, symbolizujące jądro atomowe, które ma ładunek dodatni. Na wspólnej części kół znajdują się 2 jeszcze mniejsze kółeczka ze znakiem minus, symbolizujące ujemne elektrony tworzące wiązanie.

Istnieje też grupa dielektryków o specjalnych właściwościach. Do takich dielektryków zalicza się piezoelektryki, piroelektryki i ferroelektryki.

Piezoelektryki to kryształy, w których pod wpływem naprężeń mechanicznych dochodzi do pojawienia się ładunków elektrycznych. Czyli pod wpływem nacisku (lub rozciągania) możemy wytworzyć pole elektryczne.

REqmmiFNA4etS

Rys. 6. Z lewej strony rysunku znajduje się prostokąt symbolizujący piezoelektryk. Dwie pionowe strzałki symbolizują siły rozciągające piezoelektryk – do dolnej powierzchni piezoelektryku zaczepiona jest siła skierowana w dół, do górnej powierzchni – siła skierowana w górę. Nad górną powierzchnią piezoelektryku narysowano rząd znaków plus, a pod dolną powierzchnią piezoelektryku rząd znaków minus. Znaki te symbolizują ładunki elektryczne pojawiające się na powierzchniach rozciąganego piezoelektryku. Z prawej strony rysunku znajduje się prostokąt symbolizujący ściskany piezoelektryk. Dwie pionowe strzałki symbolizują siły ściskające piezoelektryk – przy dolnej powierzchni piezoelektryku jest siła skierowana w górę, przy górnej powierzchni – siła skierowana w dół. Nad górną powierzchnią piezoelektryku narysowano rząd znaków minus, a pod dolną powierzchnią piezoelektryku rząd znaków plus, co symbolizuje ładunki elektryczne pojawiające się na powierzchniach ściskanego piezoelektryku.

Przykładem piezoelektryka jest kwarc.

Piezoelektryki mają zastosowanie jako przetworniki elektroakustyczne np. w głośnikach, ale też jako iskrowniki w zapalniczkach.

Piroelektryki to substancje (zwykle kryształy), w których następuje polaryzacja poprzez zmianę temperatury np. poprzez ogrzanie.

Przykładem piroelektryka jest siarczan trójglicyny.

Piroelektyrki są szczególnym przypadkiem piezoelektryków.

Piroelektryki mogą mieć zastosowanie w matrycach termowizyjnych.

Trzecim rodzajem dielektryków, które warto znać, są ferroelektryki. Ferroelektryki po umieszczeniu w zewnętrznym polu elektrycznym zyskują moment dipolowy, jednak, w odróżnieniu od innych dielektryków, moment ten nie zanika w chwili, gdy wartość zewnętrznego pola osiągnie zero. Moment dipolowy ferroelektryka zmienia się jak na wykresie poniżej - taką zależność nazywamy histerezą (z greckiego histerezis – opóźnienie).

R12ZatY6KBi9u

Rys. 7. Rysunek przedstawia wykres funkcji. Na poziomej osi odłożone jest natężenie zewnętrznego pola elektrycznego, opisane dużą literą E. Na pionowej osi odłożony jest moment dipolowy ferroelektryka, opisany dużą literą P. Wykres funkcji zaczyna się w punkcie przecięcia obu osi i biegnie początkowo stromo w górę. Na górze wykres robi się coraz bardziej płaski i przy pewnej wartości staje się poziomy. Ta część wykresu oznaczona jest cyfrą 1. Dalej wykres przedstawia sytuację, gdy natężenie zewnętrznego pola elektrycznego zmniejsza się, a wraz z nią zmniejsza się moment dipolowy ferroelektryka. Na wykresie, oznaczonym cyfrą 2, poruszamy się w dół i w lewo, zaczynając od punktu, gdzie zakończył się wykres numer 1. Ta część wykresu znajduje się powyżej wykresu oznaczonego cyfrą 1 i przecina oś pionową w punkcie powyżej punktu przecięcia osi. Wartość momentu dipolowego dielektryka w punkcie przecięcia wykresu z pionową osią oznaczona jest literą duże P z indeksem dolnym r, co oznacza polaryzację resztkową. Dalszy przebieg wykresu odpowiada zmianie kierunku natężenia pola elektrycznego zewnętrznego na przeciwny, co odpowiada ujemnym wartościom natężenia pola. Wykres numer 2 biegnie w dół i w lewo i przecina oś poziomą w punkcie na lewo od punktu przecięcia się osi. W punkcie przecięcia wykresu z poziomą osią natężenie pola elektrycznego oznaczone jest literą duże E z indeksem dolnym c. Dalszy przebieg wykresu odpowiada zmianie kierunku polaryzacji na przeciwny, co odpowiada ujemnym wartościom polaryzacji. Wykres biegnie dalej w dół i w lewo, zmniejszając swoje nachylenie do poziomu i przy pewnej wartości wykres staje się poziomy. Trzecia część wykresu, oznaczona cyfrą 3, przedstawia sytuację, gdy wartość natężenia zewnętrznego pola elektrycznego zwiększa się, dążąc do zera i wraz z nią zwiększa się moment dipolowy ferroelektryka. Na wykresie poruszamy się w górę i w prawo, zaczynając od punktu, gdzie zakończył się wykres numer 2. Wykres numer 3 ma podobny kształt, jak wykres oznaczony cyfrą 2, ale leży poniżej obu wykresów 1 i 2. Pionową oś przecina w punkcie poniżej punktu przecięcia osi, a poziomą oś przecina w punkcie na prawo od punktu przecięcia osi. Wykres numer 3 kończy się w tym samym punkcie, gdzie skończył się wykres 1 i zaczął wykres 2. Wykresy 2 i 3 tworzą pętlę, wewnątrz której znajduje się wykres 1. Pętlę nazywamy pętlą histerezy.

Na Rys. 7. widzimy pętlę histerezy, zależność momentu dipolowego p od natężenia pola E. Początkowo natężenie pola i moment dipolowy wynoszą 0. Wraz ze wzrostem wartości natężenia pola rośnie też wartość momentu dipolowego. Następnie wartość natężenia pola elektrycznego maleje – spada też wartość momentu dipolowego, jednak spadek ten jest „opóźniony” - pokazuje to krzywa 2. Gdy wartość E ponownie równa się 0 – wartość momentu dipolowego wynosi pIndeks dolny r_r (polaryzacja resztkowa). Moment dipolowy osiąga wartość zero dopiero dla E = EIndeks dolny c_c, skierowanego przeciwnie niż pierwotne pole. Po osiągnięciu minimum, wartość E oraz p ponownie rosną, tym razem pokazane jest to jako część histerezy oznaczona - 3.

Ferroelektryki są szczególnym przypadkiem piroelektryków.

Słowniczek

monokryształ

monokryształ

(ang.: single‑crystal, or monocrystalline) ciało stałe będące w całości jednym kryształem. Na zdjęciu poniżej przedstawiono monokryształ krzemu.

RpfDWzcRaUUoz

Na zdjęciu poniżej przedstawiono monokryształ krzemu. Monokryształy - pojedyncze kryształy (krystality) o jednolitej sieci krystalicznej. Powstają przy zachowaniu odpowiednich warunków fizycznych, czyli w określonej temperaturze i pod odpowiednim ciśnieniem. Mają w całej objętości jednolitą budowę wewnętrzną. Nie wykazują zrostów, pęknięć, wtrąceń obcych substancji. Znajdują szerokie zastosowanie w nauce i technice, np. monokryształy germanu, krzemu.