Warto przeczytać

Co to jest dielektryk? Pojęcie dielektryka możemy zdefiniować na podstawie oporu właściwego (rezystywności) tego materiału. Opór właściwy $\rho$ definiujemy jako opór elektryczny przewodnika wykonanego z jednorodnego materiału o przekroju poprzecznym $S$ równym jeden metr kwadratowy i długości $l$ równej jeden metr. Jednak w tym materiale istotniejsze będzie powiązanie oporu właściwego materiału z natężeniem pola elektrycznego. Wewnątrz materiału, przez który przepływa prąd o gęstości $\overrightarrow{j}$ istnieje pole o natężeniu $\overrightarrow{E}$. W przypadku materiału jednorodnego i izotropowego opór właściwy możemy zapisać jako stosunek wartości obu tych wektorów:

W układzie SI jednostką oporu właściwego jest Ωomega∙m (om razy metr).

Opór właściwy jest wartością stałą, charakteryzująca dany materiał. Im wyższa jest wartość oporu właściwego, tym gorzej dany materiał przewodzi prąd. Przyjmuje się, że oporność właściwa dielektryków jest większa niż 10Indeks górny 7⁷Ωomegam, natomiast dobre przewodniki mają wartość oporu właściwego rzędu 10Indeks górny -8^-8-10Indeks górny -6^-6Ωomegam.

Przewodzenie prądu to „przenoszenie” ładunków elektrycznych przez nośniki. Takimi nośnikami są między innymi elektrony. W metalach, na przykład, elektrony walencyjne odrywają się od poszczególnych atomów i pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego przemieszczają się w tym metalu przenosząc ładunki ujemne. W metalu następuje zatem przepływ prądu. Metal jest dobrym przewodnikiem.

W izolatorach natomiast ładunki są względnie nieruchome.

Ponieważ dielektryki mają bardzo duże wartości oporu elektrycznego (zwykle rzędu giga omów) to, aby uzyskać nawet niewielkie natężenie prądu, należałoby przyłożyć wysokie napięcie rzędu gigawoltów. To pociągnęłoby za sobą zniszczenie dielektryka.

Widzimy więc, że przewodzenie prądu przez dielektryki nie jest możliwe.

Dielektryki mają bardzo ciekawe właściwości. Umieszczone w zewnętrznym polu elektrycznym ulegają polaryzacji elektrycznej. Polega ona na tym, że wewnątrz dielektryka powstaje pole elektryczne zorientowane przeciwnie niż zewnętrzne pole, które wywołało polaryzację.

Skąd się ona bierze? Dlaczego wewnątrz dielektryka powstaje pole elektryczne? Odpowiedzi poszukajmy w budowie cząsteczkowej dielektryków.

Wyróżniamy dwa typy dielektryków: polarne i niepolarne.

Dielektryki polarne to takie, których cząsteczki są trwałymi dipolamiDipol elektrycznydipolami. Dipol to układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych o takiej samej wartości $q$ oddalonych od siebie na odległość $l$.

Wielkością charakteryzującą dipole jest moment dipolowy $\overrightarrow{p}$. Moment dipolowy definiujemy jako 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:

RKBzPFHLcyXvy

Rys. 1. Na rysunku przedstawione są dwa ładunki plus q i minus q w postaci kulek oddalonych od siebie na odległość l. Odległość l jest wektorem o kierunku prostej łączącej ładunki z zwrocie ku ładunkowi dodatniemu. Obok, równolegle do niego narysowany jest wektor momentu dipolowego oznaczony literą p o zwrocie również ku ładunkowi dodatniemu.

Jednostką momentu dipolowego jest iloczyn kulomba i metra (C · m).

W dielektrykach polarnych cząsteczki mają własny moment dipolowy.

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

R1RUKDCYMNnq1

Rys. 2. Cząsteczkę wody rysujemy schematycznie jako jedno duże kółko - atom tlenu i dwa mniejsze - dwa atomy wodoru. Ułożenie atomów w cząsteczce nie jest symetryczne. Jeśli połączymy środki okręgów przedstawiających atomy wodoru ze środkiem okręgu przedstawiającego tlen, to te odcinki utworzą kąt 105 stopni. Na rysunku jest to zaznaczone oraz narysowany jest wektor momentu dipolowego skierowany ku atomom wodoru o kierunku dwusiecznej kąta 105 stopni.

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

Moment sił będzie więc powodował obrót dipola tak, by jego oś ustawiona była wzdłuż linii pola, tak jak pokazano na Rys. 3.

RHaUvGOmPVZ8r

Rys. 3. Rysunek przedstawia schemat dipola taki jak na rysunku 1. Dipol umieszczony jest w jednorodnym polu elektrycznym, co obrazują równoległe linie pola. Kierunek linii pola i wektora natężenia pola jest poziomy i ma zwrot w prawo. Kierunek wektora l (el) równego odległości między ładunkami i wektora momentu dipolowego p tworzy pewien kąt z liniami pola. Jest to kąt mniejszy od 900 i większy od zera. Na rysunku do ładunku dodatniego przyłożona jest siła F z indeksem plus równoległa do linii pola i skierowana w prawo oraz siła F z indeksem minus przyłożona do ładunku ujemnego. Jest oraz również równoległa do linii pola.

Moment ten zaniknie, gdy wektory $\vec{p}$ i $\vec{E}$ staną się równoległe.

Dielektryki niepolarne nie mają własnego momentu dipolowego (ich moment dipolowy jest równy zero). Jednak możemy moment wyidukować umieszczając taki atom lub cząsteczkę w zewnętrznym polu elektrycznym. W takim przypadku następuje rozsunięcie dodatnich ładunków (jąder) oraz ujemnych (elektronów).

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

Rg1whdCHEEi35

Rys. 4. Rysunek przedstawia schematycznie dwa atomy wodoru w postaci dwóch kół zachodzących na siebie. W środku kół zaznaczony jest dodatni ładunek jądra. W części wspólnej narysowano symbolicznie nie zachowując skali, dwa elektrony.

Dielektrykami są ponadto: gazy szlachetne, olej transformatorowy, parafina, asfalt, papier, suche drewno, kalafonia, ebonit, teflon, bakelit, szkło, porcelana.

Słowniczek