Mnoho školáků a studentů nemá rádo fyziku kvůli velkému množství srozumitelných slov a podivných vzorců. Jedním z těchto záhadných témat je dielektrika. Co to je, kde se to používá a proč je to vůbec potřeba? Děti nerozumí a učitelé nevysvětlují správně důležité informace. Proto dnes chci já, učitel fyziky, pomáhat studentům a školákům při studiu dielektrika.
Dielektrika nebo izolanty jsou látky, které vedou malý nebo žádný proud. Patří mezi ně vše neredukovatelné: vzduch, plyny, dřevo, sklo, plasty a mnoho dalšího. Používají se v mnoha technologiích a strojích k omezení šíření proudu.
Vezměme si například plast. Umístíme-li malý kousek do elektrifikovaného prostředí, všimneme si neobvyklého jevu: začnou ho přitahovat kladné nebo záporné náboje. Jakmile ale hřiště vypneme, vše se zastaví. Plast přestane být přitahován a zůstane na svém místě.
Tento experiment ve skutečnosti ukazuje, že izolátory nemohou přenášet proud, ale jsou pro něj jakousi bariérou, která brání jeho dalšímu šíření. A i když elektřina projde, je v minimálním, neškodném množství.
Někdy dochází k velmi silným záměnám s vlastnostmi dielektrik. Mnohé jim dávají zbytečné a nemožné funkce, které se v těchto materiálech nikdy nenašly, nebo je naopak odstraňují. Nyní vám krátce a rychle povím o všech vlastnostech dielektrik.
Dielektrické vlastnosti
Voděodolný
Pevná dielektrika mohou zabránit pronikání vlhkosti dovnitř. Díky této vlastnosti se často používají pro outdoorové vybavení. Navíc to platí nejen pro vodu, ale také pro jiné tekutiny, například nápoje, džusy, mléko a tak dále.
Tepelná ochrana
Dielektrika velmi dobře odolávají vysokým teplotám. Ne nadarmo je například používám ve vesmíru, kde je pásek teploměru pod -90°C. Proto jsou dielektrika výborným pomocníkem při velkých mrazech a horkých dnech.
Zadržování radiace
Dielektrika nepropouštějí záření, zásady a kyselé látky. To je velmi důležité, když dochází k únikům na stanicích a továrnách, kde jsou nebezpečné chemické prvky. Izolátory bez jakékoli nadsázky mohou zachránit tisíce lidí před smrtí.
Polarizace
Úžasná vlastnost, která je přítomna výhradně v dielektrikách. Díky ní lze neredukovatelné materiály přitahovat k vodivým a vytvářet tak celý obvod. Tato vlastnost se využívá všude, téměř ve všech technologiích a strojích.
Vnější oslabení pole
Dielektrika pomáhají zeslabit vnější tlak a tím i bezpečněji. Ovládají pole a pomáhají jej využívat k různým účelům. Velmi důležitá vlastnost, díky které je práce bezpečnější.
Druhy dielektrik
Mnoho školáků nebo studentů má velký zmatek s klasifikací dielektrik. Jednoduše nechápou, jaké skupiny existují a na co se dělí. Nyní se vám pokusím vše srozumitelně vysvětlit, abyste po přečtení chápali navždy.
Klasifikace podle stavu agregace
Podle jejich stavu agregace existují tři hlavní typy dielektrik:
- pevné látky jsou sklo, plasty, keramika a podobné látky. Používají se ve specializovaných stanicích a továrnách, umožňují omezit šíření proudu a učinit prostředí bezpečnějším pro ostatní;
- kapalina – to jsou oleje, spreje, destilovaná voda, které se dodávají v různých strojích a technologiích. Jde například o transformátory, které bez izolátorů prostě nemohou fungovat;
- plyn – tento typ zahrnuje výhradně dusík, který se nejčastěji používá ke snížení jejich teploty. To vám umožní chránit zařízení před silným přehřátím a možným výbuchem.
Klasifikace podle původu
Podle původu jsou izolanty organické a anorganické:
- organická jsou dielektrika, která se těží v prostředí a nevznikla pod vlivem člověka. Používají se extrémně zřídka, kvůli jejich malému počtu vlastností;
- anorganické – tyto izolanty si lidé vytvářejí sami a nejčastěji je využívají ve výrobě a činnostech. Dokonale zastavují proud a blokují jeho šíření.
Způsoby aplikace
Mnoho mých studentů si myslí, že dielektrika se používají všude tam, kde je nějaká technologie, v každém stroji a zařízení. To je ale mylná představa, protože se používají výhradně v případech, kdy je potřeba omezit šíření elektrického proudu a chránit životní prostředí.
Dielektrika mají velké množství použití. Například kapalné nepřenosné věci se používají při výrobě různých druhů olejů, které se používají ve vozidlech, pomáhají zpevňovat průmyslové díly a vytvářejí elektrickou izolaci.
Plynová dielektrika jsou dusíková. Jeho uplatnění je velmi široké. Mnoho lidí používá dusík k chlazení průmyslových zařízení nebo chemických směsí a v mnoha pecích pomáhá předcházet vážným únikům plynu a často se také používá ve vysoce přesných spínačích. Lze je nalézt v každé domácnosti, která má nějaké plynové spotřebiče.
Pevná dielektrika mají širokou škálu aplikací. Používají se například v drátech, elektronických strojích, stanicích a tak dále. Tyto komponenty se dokonce používají ve vesmíru k podpoře lodí. Pevná dielektrika jsou praktičtější a multifunkčnější než jiné agregátové komponenty, v důsledku čehož je lze nalézt mnohem častěji.
Dielektrika jsou všude, dokonce i u vás doma. Podívejte se na své vodiče, elektroniku a údaje. Všude jsou dielektrika, která umožňují zastavit tok proudu a tím omezit jeho dopad na lidi. Jedná se o velmi důležitou součást, bez které by polovina zařízení a strojů nemohla existovat.
Všechny látky vedou elektrický proud jinak. To je vysvětleno skutečností, že každá látka má své vlastní vlastnosti, vlastní sadu atomů a podle toho i molekuly. To ovlivňuje hustotu látky, počet valenčních elektronů a energetické hladiny.
Elektrická dielektrika. Co jsou?
Jak nás učili ve škole, některé látky vedou elektrický proud špatně, zatímco jiné dobře. Například dřevo vede velmi špatně, ale hliník vede mnohem lépe. Pokud si tedy pamatujete terminologii, tak látky, které dobře vedou elektrický proud, se nazývají vodiče a ty, které jej vedou špatně, se nazývají. No a co s nimi? Ach ano, říká se jim elektrická dielektrika.
Samozřejmě netvrdíme, že nevedou proud vůbec, to ne. Jsou to samozřejmě dirigenti, jen poměrně chudí. Dielektrika jsou na druhou stranu také látky, které dokážou v sobě uchovat elektrické pole po poměrně dlouhou dobu, a to nevyžaduje vnější energii.
Můj osobní výběr DIY pájecích sad z Aliexpress pro pájení od jednoduchých za 153 až 2500 rublů. Dceři je 5 let – potřebuje si zvyknout na páječku))) – ať se na to zatím alespoň podívá – běžte se podívat, jedna LED kostka stojí hodně
Co se stane, když ovlivníte zvenčí?
Pokud na elektrické dielektrikum aplikujete vnější elektrické pole, pak ho volné náboje dielektrika začnou postupně neutralizovat. Navíc se to bude dít, dokud nedojdou elektrony nebo dokud nebude výsledné pole nulové.
Abychom pochopili, jaké látky mohou obecně interagovat s elektrickými poli, musíme porozumět termínu, jako je elektrická vodivost. Jednoduše řečeno, aby látka mohla interagovat s elektrickým polem, musí mít poměrně nízkou elektrickou vodivost.
Přesněji řečeno, měrný odpor by měl být srovnatelný s 1010 Q-cm nebo dokonce tuto hodnotu výrazně převyšovat.
Odkud pochází nízká elektrická vodivost?
Jak víme ze základního učiva fyziky, všechny látky jsou tvořeny atomy. A tyto atomy spolu velmi aktivně interagují. Každý z nich má svůj náboj a díky nábojům se atomy tak či onak vzájemně ovlivňují.
Jak však vzniká tak nízká elektrická vodivost? Zdá se, že tam atomy jsou, nějak tam interagují a mohl by jimi protékat proud, ale ne všechno je tak jednoduché. Klíčem k zajištění nízké vodivosti látky je velmi důležitý fakt.
Pokud se při aplikaci pole nemohou elektrony, ionty a další částice volně pohybovat nebo to dělají velmi špatně, pak bude elektrická vodivost nízká, protože vše bude stát na svém místě a volné elektrony prostě nebudou mít kam jít.
Křišťálová mřížka vám to pomůže zjistit
Nyní nám krystalová mřížka pomůže porozumět elektrickému dielektriku. Aby se nám pojmy nezdály nesrozumitelné, osvěžme si je v hlavě. Krystalová mřížka je skupina bodů, které se tvoří v látkách (přesněji řečeno v krystalech) vlivem posunů (k nim mimochodem může docházet vlivem elektrického pole. Skvělé, vzpomněli jsme si. Nyní přijít na to.
Jak si pamatujeme, v atomu, který je momentálně izolovaný, nemůže energie elektronů nabývat žádných hodnot. V tomto stavu bude energie nabývat jasně určených hodnot W1, W2, W3 atd. Zde se podívejte na graf:
Každá z těchto úrovní se samozřejmě mírně posune poté, co se atomy stanou součástí pevné krystalové mřížky. V důsledku toho bude zóna, ve které bude soustředěna veškerá energie, společná pro celou mřížku.
V krystalové mřížce tedy energie elektronů leží v přesně definovaných zónách a všechny hodnoty, které jsou mimo tuto zónu, jsou zakázány. Tohle jsme pochopili. Pokračujme. Podle Pauliho principu může každé pásmo pojmout omezený počet elektronů. Nejprve elektrony zaplní spodní úrovně, a když jsou tyto řady zcela zaplněny, vyplní horní řady.
A nyní klíčová myšlenka, kterou musíte pochopit, abyste pochopili, proč určité látky vedou elektrický proud. Protože elektrony postupně zaplňují řady odspodu nahoru, pak v nejvyšší řadě tuto řadu zaplní buď úplně, nebo jen částečně.
Takže když je řada částečně zaplněna, elektrony se po ní budou moci volně pohybovat, což znamená, že povedou proud. Bingo! Pokud však elektrony zaplní horní úroveň, pak pod vlivem elektrického pole nedojde k žádným posunům, a proto lze takovou látku nazvat dielektrikem.
Velmi podobná situace nastává u amorfních pevných látek (například jantaru nebo polyethylenu). Podle definice je v takových látkách uspořádání atomů velmi náhodné a zóny společné celému krystalu prostě nemohou existovat, což znamená, že jsou to také elektrická dielektrika.
Přesně tak, kromě elektronů jsou tam i ionty a i ty mohou výslednou situaci ovlivnit. Jejich tepelný pohyb spočívá v tom, že oscilují někde kolem rovnovážné polohy. Zajímavostí však je, že někteří z nich se stále dokážou osvobodit a překonat to, co je brzdí.
Takové ionty lze běžně nazývat volné. Přesouvají se do míst, kde bude jejich potenciální energie velmi nízká. Pokud mluvíme o elektrických dielektrikách (a stále o nich mluvíme), pak taková místa v husté krystalové mřížce jsou pro ně uzly.
Takže podle teorie Waltera Schottkyho se to může stát pouze tehdy, když je určitý počet míst mřížky již obsazen ionty. Ve fyzice se takové uzly často nazývají „díry“. Potom bude tepelný pohyb redukován na náhodné přeskakování iontů z jednoho místa na druhé.
Dielektrikum jednou provždy?
Když tu či onu látku nazýváme dielektrikem, musíme pochopit, že tento název je spíše libovolný, protože pod určitým vlivem na látku již může ztratit vlastnosti dielektrika. Proč se tohle děje?
Faktem je, že elektrický proud působí na látku jen velmi krátkou dobu, a proto se pole v něm také neobjevuje dlouho. Proto i látky s velmi nízkým měrným odporem lze za určitých podmínek považovat za dielektrikum.
Dobrým příkladem by byla destilovaná voda. Ale pokud napětí ovlivňuje látku po velmi dlouhou dobu, pak ji již lze bezpečně nazvat vodičem. To je taková magie.
Amorfní dielektrika. Co jsou?
Co je zvláštního na amorfních dielektrikách? Hlavní věc, která je odlišuje od ostatních, je jejich poměrně volná struktura, což znamená, že uvnitř je mnoho dutin a velký prostor, kde mohou být ionty ve stavu rovnováhy. Navíc během přechodu z jednoho rovnovážného stavu do druhého bude energie spotřebovaná iontem vždy jiná. V některých přechodech nebude iont zcela osvobozen od sil, které jej omezují, takže může být podmíněně charakterizován jako poloviční vázaný těmito silami.
Takové přechody spotřebují velmi malé množství energie a iont se může během takových přechodů pohybovat jen na velmi krátkou vzdálenost. V důsledku tepelného pohybu se takové přechody uvnitř amorfních těles budou vyskytovat mnohem častěji, protože vyžadují mnohem méně energie než ostatní.
Malý počet iontů, které obsahují velké zásoby energie, však bude stále schopen překonat síly, které je vážou, a budou se pohybovat na poměrně velké vzdálenosti.
Pokud nakreslíme analogii s krystalovou mřížkou, pak lze tyto ionty nazvat volné. Jak jsme nyní zjistili, obecně je tato situace při pohybu iontů v amorfních tělesech totožná s pevnými, ovšem s menšími výhradami.
Umístěte jej do trvalého pole
Nyní se trochu vzdálíme od toho, jaké látky mohou být dielektriky a které ne, zvláště když jsme této problematice již docela dobře porozuměli.
Pokusme se nyní odpovědět na tuto zajímavou otázku: co se stane, když se dielektrikum umístí do konstantního elektrického pole? Nejprve si dáme krátkou odpověď a poté se na tuto problematiku podíváme podrobněji. Pokud tedy umístíte dielektrikum do elektrického pole, pak náboje dielektrika, ze kterého se skládá, budou pod vlivem určitých sil, které budou:
- přemístit vázané náboje (jsou to pouze elektrony a ionty)
- uvalit pole na náhodný pohyb tepla, které tento pohyb nařídí (kladné náboje půjdou jedním směrem s polem a záporné náboje opačným směrem)
Co zajistí uspořádaný pohyb?
Při objednávání dielektrických nábojů existují dva možné scénáře:
- nový rovnovážný stav s jiným rozložením nábojů a při dosažení rovnováhy se pohyb okamžitě zastaví
- Zatímco je pole v platnosti, řazení může pokračovat, pokud jsou v něm stále volné elektrony nebo volné ionty, o kterých jsme hovořili výše.
Pojďme se bavit o polarizaci
Dalším důležitým pojmem, o kterém je čas se dozvědět, je polarizace dielektrik. Faktem je, že procesy přemístění dielektrických nábojů probíhají různými rychlostmi. Jak jsme si řekli dříve, pro vázané náboje je doba přemístění mnohem kratší, ale ostatní procesy probíhají velmi pomalu.
Když se dielektrické náboje vytěsní, vytvoří se další pole. Jen zeslabuje hlavní (vnější) pole. Právě jev vzniku nového pole se nazývá polarizace dielektrika. Nyní se pojďme ponořit do tohoto procesu, protože je zde spousta zajímavých detailů.
Nejprve pochopíme, proč se nové pole objevuje s posunem. Všechno je zde jednoduché, protože nyní z neuspořádaného stavu se dielektrikum stává uspořádanější – záporné náboje jsou nyní umístěny vlevo od jejich kladných nábojů. To je přesně to, co vytváří nové pole.
Dielektrická propustnost
Jak ale můžeme změřit, jak moc vnitřní pole oslabuje to vnější? No, tady je všechno velmi jednoduché. Toto opatření se nazývá elektrická permeabilita nebo dielektrická permeabilita (tento termín jste již pravděpodobně slyšeli). Obvykle říkají, že propustnost dielektrika je konstantní, ale ve skutečnosti, vzhledem k tomu, že polarizace trvá poměrně dlouho, budeme tvrdit, že tato hodnota závisí na době působení vnějšího pole.
Jak teplota ovlivňuje propustnost dielektrika?
Je to ale pouze čas, který ovlivňuje elektrickou vodivost? Ukazuje se, že nejen. Ukazuje se, že pokud zvýšíte teplotu, pak se zároveň zvýší i intenzita tepelného pohybu, a to, jak víte, přímo ovlivňuje propustnost dielektrika. Proč? Je to jednoduché: přechod do stabilního stavu se stává obtížnějším, a proto je dielektrická konstanta s rostoucí teplotou stále menší.
Dielektrický průraz
Pamatujte, že v tomto článku jsme již řekli, že každé dielektrikum má svou vlastní mez a že látka nemůže být jednoznačně nazývána dielektrikem a musí být uvažována v dynamice. Vraťme se tedy k tomuto tématu a pojďme do něj trochu hlouběji. Víte, co se děje při polarizaci?
Faktem je, že tímto jevem začíná stav, nazývaný stacionární nebo kvazistacionární, pokud je vliv napětí zvenčí proměnlivý. Tento stav se liší od obvyklého v tom, že hodnoty polarizace mohou zůstat na stejné úrovni po velmi dlouhou dobu. Spolu s nimi se stabilizuje i elektrická vodivost.
Pokud okamžitě začnete zvyšovat napětí v takovém poli, pak bude možné velmi přesně určit hranici, při které bude tato stabilita prudce narušena. Proud a elektrická vodivost se okamžitě zvýší, a to je přímá cesta z dielektrika k vodičům. Ve skutečnosti po tomto již nelze látku charakterizovat jako dielektrikum. Tento proces přechodu dielektrika na vodiče se nazývá dielektrický průraz.
Nyní, když jsme pochopili, co je průraz, pochopme nyní, jak můžeme snadno určit, v jakém bodě dielektrický průraz nastane. Jak můžeme pochopit, práh doby rozpadu může záviset na teplotě, stavu agregace látky a mnoha dalších faktorech, zde je důležité něco jiného. Podívejme se na hlavní případy poruchy, jsou pouze dva, takže se nelekejte:
- tepelné jevy, při kterých je zvýšení elektrické vodivosti způsobeno tím, že se dielektrikum velmi rychle zahřeje, v důsledku čehož tepelný stav již nemůže být stacionární
- elektrické jevy, ke kterým dochází v důsledku zvýšení počtu volných elektronů a iontů. To se také děje ve dvou případech. Buď vznik volných nábojů je způsoben jejich sražením jinými pohyblivými náboji, nebo sražením polem.
Pole v dielektriku
Jak jsme již pochopili, pole v dielektriku směřuje přesně proti vnějšímu elektrickému poli. Tyto znalosti nám ale k dobrému pochopení dielektrika nestačí.
Pojďme se tedy do tohoto tématu ponořit trochu hlouběji. Připomeňme si, že polarizace dielektrika nastane, když jsou náboje přesměrovány tak, že mínusy směřují jedním směrem a plusy druhým. Pojďme se tedy podívat na typy polarizace.
Deformace (nebo elektronické)
Tento typ polarizace nás zajímá nejvíce. Stojí za zmínku, že taková polarizace je typická pro látky sestávající z nepolárních molekul, to znamená, že nemají dipólové momenty. Co se děje? Je to jednoduché – hlavní věc, kterou musíte pochopit, je, že se elektronové obaly posouvají. V tomto případě jsou kladně nabitá atomová jádra posunuta směrem k vnějšímu poli a záporně nabité elektronové obaly jsou posunuty proti poli.
Dipól (nebo orientace)
Jedná se o jeden z nejběžnějších typů polarizace. Zde je však vše přesně naopak. Zde se orientace dipólů již mění. Tady je to ještě jednoduché – když pole zvenčí neovlivňuje látku, je pořadí dipólů absolutně chaotické, ale když vnější pole začne látku ovlivňovat, pak se naprosto všechny dipóly otočí svou kladnou stranou k poli, které ovlivňuje to. Jak jsme již probrali výše, stabilita polohy dipólů je dána intenzitou pole a teplotou látky.
Iontový
Ano, nezapomněli jsme ani na tento typ polarizace. Zde mluvíme o posunutí kladné mřížky iontů. Budou umístěny podél pole a negativní – proti.
Proč jsme tedy hned na začátku řekli, že nás bude nejvíce zajímat první typ polarizace, pokud uvažujeme kladné náboje? Je to jednoduché. Kladné náboje hrají určitou roli pouze pod takovým vlivem vnějšího pole na látku. Můžete tedy předpokládat, že o nich již víte vše, co potřebujete vědět.
Ploché dielektrikum
Z nějakého důvodu mnoho lidí někdy nazývá dielektrikum uvnitř plochého kondenzátoru. Možná je jen pohodlnější to takto nazvat. Ve skutečnosti je plochý kondenzátor velmi zajímavé zařízení, takže si povíme něco o něm a jeho dielektriku (ploché dielektrikum).
Protože mluvíme o kondenzátoru, okamžitě se naučíme, jak určit jeho kapacitu (nebo kapacitu dielektrika). K tomu použijeme tento úžasný vzorec:
Pojďme pochopit, co zde každé z písmen znamená. S je zjevně plocha desek daného kondenzátoru s paralelními deskami. Písmeno d označuje vzdálenost mezi deskami a další dvě proměnné jsou dielektrická konstanta dielektrika (planární dielektrikum) a elektrická konstanta (v případě, že někteří z vás zapomněli, 8,854 pF/m)
Je to zvláštní, ale nyní jsou ploché kondenzátory velmi vzácné. Může za to filmová technologie, která je tak mikroskopická, že její výroba je poměrně náročná a nákladná.
Proč nemohou jeden bez druhého žít plochý kondenzátor a dielektrikum?
Odpověď na tuto otázku není tak složitá. Jde o to, že nejdůležitější a základní prvek v plochém kondenzátoru – jeho kapacita – závisí na dielektriku. Pojďme se bavit o tom, jak to funguje. Jak víme, amorfní látka se skládá z dipólů, které jsou naopak fixovány na místě a náhodně orientovány.
Když vnější pole působí na tuto nejvíce amorfní látku, dipóly se rozvinou podél siločar tohoto vnějšího pole. Současně pole slábne a náboj se postupně hromadí, až pole přestane působit. A tak to jde cyklus za cyklem. Proto lze plochý kondenzátor s dielektrikem uvažovat pouze společně.
Jak nezaměnit vodiče a dielektrika
Předtím jsme se podívali na dielektrika velmi podrobně, dozvěděli jsme se, jak fungují, jak jsou uvnitř strukturována. Nyní pojďme zjistit, jak se používají v reálném životě a jak je nezaměnit s vodiči.
Kde se používají dielektrika?
Dielektrika se používají v mnoha oblastech života, zejména v těch, kde je potřeba elektrický proud.
Aktivně se používají zejména v zemědělství, průmyslu a výrobě nástrojů.
Pevná dielektrika
Dielektrika jsou různá. Pevná dielektrika mohou například zajistit bezpečnost zařízení na elektřinu. Jsou dobrými proudovými izolátory, což znamená, že výrazně ovlivňují životnost těchto zařízení. Jedním z příkladů jsou dielektrické rukavice.
Tekutá dielektrika
Ale kapalná dielektrika jsou potřebná pro trochu jiný účel. Používají se v kondenzátorech, kabelech, chladicích systémech s cirkulací vzduchu a mnoha dalších zařízeních.
Plynná dielektrika
Existují také plynná dielektrika, i když v dnešní době nejsou tak populární. Tato dielektrika vytvořila sama příroda. Například vodík se používá pro výkonné generátory, které mají prostě zakazující tepelnou kapacitu, ale dusík pomáhá omezit oxidační procesy na maximum. Za nejjednodušší příklad plynného dielektrika považujeme vzduch. Ano, ano, je to také dielektrikum a také dokáže odvádět teplo.