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 . Moment dipolowy jest to iloczyn wartości ładunku q oraz wektora , mającego wartość równą odległości między ładunkami, kierunek prostej łączącej ładunki i zwrot od ładunku ujemnego do dodatniego:
RKVk3DDqT0qeb
Przykładem dielektryków polarnych jest kwas solny (HCl), o momencie dipolowym równym , oraz woda (HIndeks dolny 22O) o momencie dipolowym równym .
R14ky88Wytmj5
Jeśli taki dipol umieścimy w zewnętrznym polu elektrycznym o natężeniu , to działa na niego moment siły :
W wyniku działania tego momentu siły dipol ustawia się wzdłuż linii sił pola tak, jak pokazano na Rys. 3.
R1MdBOjUsjaA3
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
Przykładem dielektryków niepolarnych jest wodór (HIndeks dolny 22) oraz metan (CHIndeks dolny 44). Bez pola mają one zerowy moment dipolowy.
R6qdCzEMqDY9K
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
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
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 rr (polaryzacja resztkowa). Moment dipolowy osiąga wartość zero dopiero dla E = EIndeks dolny cc, 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
elektrony walencyjne
elektrony walencyjne
(ang.: valence electrons) elektrony znajdujące się na zewnętrznej ( walencyjnej) powłoce atomu.
efekt piezoelektryczny
efekt piezoelektryczny
(ang.: piezoelectric effect) występuje w piezoelektrykach, polega na powstawaniu pola elektrycznego w dielektryku pod wpływem odkształceń mechanicznych. Istnieje również zjawisko odwrotne: powstanie odkształceń w piezoelektryku pod wpływem przyłożonego po elektrycznego.
monokryształ
monokryształ
(ang.: single‑crystal, or monocrystalline) ciało stałe będące w całości jednym kryształem. Na zdjęciu poniżej przedstawiono monokryształ krzemu.