Физики обнаружили материал, который может быть одновременно проводником и диэлектриком

Что такое проводник и диэлектрик?

04.12.2017

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока. 

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу. 

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод. 

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

• показатель сопротивления;
• показатель электропроводности.

Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность. 

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.  

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу. 

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы. 

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств. 

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач. 

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц. 

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос). 

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно. 

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы. 

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве.

Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала.

Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах. 

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля. 

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника. 

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным. 

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника. 

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы. 

Полупроводниками являются кремний и германий.

Статья по теме: Электрический ток и его скорость

Источник: https://www.elektro.ru/articles/detail/chto-takoe-provodnik-i-dielektrik-

Проводники и диэлектрики. Полупроводники

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества. Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда.

Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами. Среди таких проводников лучшим примером является углерод. Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость.

Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R).

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G).

G = 1/ R

То есть, проводимость – это свойство или способность проводника проводить электрический ток.

Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость. Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет большую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

В отличие от проводников, в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

К диэлектрикам относятся, в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру, все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить, что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого.

Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка).

Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение.

Вольфрам и молибден, напротив,  являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие  и плохие. Связано это с  тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.

Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником.

Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.  

Полупроводники

Существуют вещества, которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют полупроводниками. Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.

В отличие от металлических проводников, у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет  с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости – уменьшается.

При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из  рис. 1, стремится к бесконечности.

Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик.

При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника. 

Рис. 1.

Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры

Примерами классических полупроводников являются такие химические элементы, как кремний (Si) и германий (Ge). Более подробно об этих элементах читайте в статье «О проводимости полупроводников».

Источник: http://vgs-design-el.blogspot.com/p/blog-page_12.html?m=1

2. Проводники, диэлектрики и поток электронов

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Электроны различных типов атомов обладают разными степенями свободы перемещения. В некоторых материалах, таких как металлы, внешние электроны атомов настолько слабо связаны с ядром, что легко могут покидать свои орбиты и хаотично двигаться в пространстве между соседними атомами даже при комнатной температуре. Такие электроны часто называют свободными электронами. 

В других типах материалов, таких как стекло, у электронов в атомах существует очень небольшая свобода перемещения. Однако внешние силы, например физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть собственные атомы и перейти к атомам другого материала, но они не могут свободно перемещаться между атомами  материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электропроводность.

Электропроводность определяется типами атомов материала (количество протонов в ядре атома, определяющее его химическую идентичность) и способом соединения атомов друг с другом.

Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками.

Ниже приведено несколько примеров наиболее распространенных проводников и диэлектриков:

Проводники:

• серебро
• медь
• золото
• алюминий
• железо
• сталь
• латунь
• бронза
• ртуть
• графит
• грязная вода
• бетон

Диэлектрики:

• стекло
• резина
• нефть
• асфальт
• стекловолокно
• фарфор
• керамика
• кварц
• (сухой) хлопок
• (сухая) бумага
• (сухая) древесина
• пластмасса
• воздух
• алмаз
• чистая вода

Следует понимать, что не у всех проводящих материалов одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково сопротивляются движению электронов.

Электрическая проводимость аналогична прозрачности некоторых материалов: материалы, которые легко “пропускают” свет, называют “прозрачными”, а те, которые его не пропускают, называют “непрозрачными”. Однако, не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет.

Оконное стекло – лучше чем органическое стекло, и конечно лучше чем “прозрачное” стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, некоторые из них лучше пропускают электроны, а некоторые – хуже.

Например, серебро является лучшим проводником в представленном выше списке “проводников”, обеспечивая более легкий проход электронов чем любой другой материал из этого списка. Грязная вода и бетон также значатся как проводники, но эти материалы являются существенно менее проводящими чем любой металл.

Некоторые материалы изменяют свои электрические свойства при различных температурных условиях. Например, стекло является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником, если его нагреть до очень высокой температуре.

Газы, такие как воздух, в обычном состоянии – диэлектрики, но они также становятся проводниками при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов, наоборот, становятся менее проводимыми при нагревании, и увеличивают свою проводимость при охлаждении.

Многие проводники становятся идеально проводящими (сверхпроводимость) при экстремально низких температурах.

В обычном состоянии движение “свободных” электронов в проводнике хаотично, без определенного направления и скорости. Однако, путем внешнего воздействия можно заставить эти электроны двигаться скоординировано через проводящий материал.

Такое направленное движение электронов мы называем электричеством, или электрическим током.

Чтобы быть более точным, его можно назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества, в котором накопленный электрический заряд неподвижен.

Электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника точно так же, как вода течет через пустоту трубы. Приведенная аналогия с водой в нашем случае уместна, потому что движение электронов через проводник часто упоминается как “поток”.

Поскольку электроны двигаются через проводник равномерно, то каждый из них толкает находящиеся впереди электроны. В результате все электроны движутся одновременно.

Начало движения и остановка электронного потока на всем протяжении проводника фактически мгновенны, даже несмотря на то, что движение каждого электрона может быть очень медленным.

Приблизительную аналогию мы можем увидеть на примере трубки, заполненной мраморными шариками:

Трубка заполнена мраморными шариками точно также, как проводник заполнен свободными электронами, готовыми к перемещению под воздействием внешних факторов. Если вставить еще один мраморный шарик в эту заполненную трубку слева, то последний шарик сразу выйдет из нее справа.

Несмотря на то, что каждый шарик прошел короткое расстояние, передача движения через трубку в целом произошла мгновенно от левого конца до правого, независимо от  длины трубки. В случае с электричеством, передача движения электронов от одного конца проводника к другому происходит со скоростью света: около 220 000 км.

в секунду!!! Каждый отдельный электрон проходит через проводник в гораздо более медленном темпе.

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении к определенному месту, мы должны проложить для них соответствующий путь из проводов, точно так же, как водопроводчик должен проложить трубопровод, чтобы подвести воду к нужному месту. Для облегчения этой задачи, провода изготавливаются из хорошо проводящих металлов, таких как медь или алюминий.

Электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающего передвижение электронов.

По аналогии с мраморными шариками мы можем видеть, что шарики будут “течь” через трубку только в том случае, если она будет открыта с правой стороны. Если трубку заблокировать, то мрамор будет “накапливаться” в ней, а соответственно не будет и “потока”.

То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует непрерывного пути для обеспечения этого потока. Давайте посмотрим на схему, чтобы понять, как это работает:

Тонкая, сплошная линия (показанная выше) является схематическим обозначением непрерывной части провода.

Так как провод сделан из проводящего материала, такого как медь, у  составляющих его атомов существует много свободных электронов, которые могут свободно перемещаться по нему.

Однако, в пределах такого провода никогда не будет направленного и непрерывного потока электронов, если у него не будет места, откуда приходят электроны и места, куда они идут. Давайте в нашу схему добавим гипотетические  “Источник” и “Получатель” электронов:

Теперь, когда Источник поставляет новые электроны в провод, через этот провод пойдет поток электронов (как показано стрелками, слева-направо). Однако, поток будет прерван, если проводящий путь, образованный проводом, повредить:

В связи с тем, что воздух является диэлектриком, образовавшийся воздушный разрыв разделит провод на две части. Некогда непрерывный путь нарушается, и электроны не могут течь от Источника к Получателю.

Аналогичная ситуация получится, если водопроводную трубу разрезать на две части, а концы в месте разреза закупорить: вода в этом случае течь не сможет.

Когда провод был одним целым, у нас была электрическая цепь, и эта цепь была нарушена в момент повреждения. 

Если мы возьмем еще один провод  и соединим им две части поврежденного провода, то снова будем иметь непрерывный путь для потока электронов. Две точки на схеме показывают физический (металл-металл) контакт между проводами:

Теперь у нас снова есть цепь, состоящая из Источника, нового провода (соединяющего поврежденный) и Получателя электронов.

Если рассматривать аналогию с водопроводом, то  установив тройник на одной из закупоренных туб, мы можем направить воду через новый сегмент трубы к месту назначения.

Обратите внимание, что в правой части поврежденного провода нет потока электронов, потому что он больше не является частью пути от Источника до получателя электронов.  

Следует отметить что проводам, в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге разъедаются ржавчиной, никакой “износ” от воздействия потока электронов не грозит. При движении электронов, в проводнике возникает определенная сила трения, которая может вырабатывать тепло. Подробнее эту тему мы рассмотрим несколько позже.

Краткий обзор:

• В проводниках, электроны находящиеся на внешних орбитах атомов могут легко покинуть эти атомы, или наоборот присоединится к ним. Такие электроны называются свободными электронами.
• В диэлектриках внешние электроны имеют намного меньше свободы передвижения, чем в проводниках.
• Все металлы являются электрически проводящими.
• Динамическое электричество, или электрический ток – это  направленное движение электронов через проводник.
• Статическое электричество – это неподвижный (если на диэлектрике), накопленный заряд, сформированный избытком или недостатком электронов в объекте.
• Для обеспечения потока электронов нужен целый, неповрежденный проводник, который обеспечит приём и выдачу электронов.

Источник: Lessons In Electric Circuits

Источник: http://www.radiomexanik.spb.ru/1.-osnovyi-elektroniki/2.-provodniki-dielektriki-i-potok-elektronov.html

Классификация материалов по отношению к способности проводить электрический ток

При появлении в нашей жизни электричества, мало кто знал о его свойствах и параметрах, и в качестве проводников использовали различные материалы, было заметно, что при одной и той же величине напряжения источника тока на потребителе было разное значение напряжения.

Было понятно, что на это влияет вид материала применяемого в качестве проводника. Когда ученные занялись вопросом по изучению этой проблемы они пришли к выводу, что в материале носителями заряда являются электроны.

И способность проводить электрический ток обосабливается наличием свободных электронов в материале. Было выяснено, что у некоторых материалов этих электронов большое количество, а у других их вообще нет.

Таким образом существуют материалы, которые хорошо проводят электрический ток, а некоторые не обладают такой способностью.
Исходя из всего выше сказанного, все материалы поделились на три группы:

• проводники;
• полупроводники;
• диэлектрики;

 Каждая из групп нашла широкое применение в электротехнике.

Проводники

Проводниками являются материалы, которые хорошо проводят электрический ток, их применяют для изготовления проводов, кабельной продукции, контактных групп, обмоток, шин, токопроводящих жил и дорожек.

Подавляющее большинство электрических устройств и аппаратов выполнена на основе проводниковых материалов. Мало того, скажу, что вся электроэнергетика не могла б существовать не будь этих веществ.

В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.

Так же стоит упомянуть, что среди проводников есть супер проводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением — вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используют для изготовления резисторов, нагревательных элементов и спиралей осветительных ламп.

 Но львиная доля в электротехнической сфере принадлежит рядовым проводникам: медь, серебро, алюминий, сталь, различные сплавы этих металлов.

Эти материалы нашли самое широкое и огромное применение в электротехнике, особенно это касается меди и алюминия, так как они сравнительно дешевы, и их применение в качестве проводников электрического тока наиболее целесообразно.

Даже медь ограничена в своем использовании, её применяют в качестве обмоточных проводов, многожильных кабелях, и более ответственных устройствах, еще реже встречаются медные шинопроводы.

А вот алюминий считается королем среди проводников электрического тока, пускай он обладает более высоким удельным сопротивлением чем медь, но это компенсируется его весьма низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко применяется в электроснабжении, в кабельной продукции, в воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводах и т.д.  

Полупроводники

Полупроводники, что-то среднее между проводниками и полупроводниками. Главной их особенностью является их зависимость проводить электрический ток от внешних условий.

Ключевым условием является, наличие различных примесей в материале, которые как раз-таки обеспечивают возможность проводить электрический ток. Так же при определенной компоновку двух полупроводниковых материалов.

На основе этих материалов на данный момент, произведено множество полупроводниковых устройств: диоды, светодиоды, транзисторы, семисторы, тиристоры, стабисторы, различные микросхемы.

Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электронная техника. Все компьютеры, мобильные устройства. Да что там говорить, практически вся наша техника содержит в себе полупроводниковые элементы.

К полупроводниковым материалам относят: кремний, германий, графит, графен, индий и т.д.

Диэлектрики

Ну и последняя группа материалов, этодиэлектрики, вещества не способные проводить электрический ток.  К таким материалам относят: дерево, бумага, воздух, масло, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, поливинилхлорид, резина и т.д.  Диэлектрики получили широкое применение благодаря своим качествам. Их применяют в качестве изолирующего материала.

Они предохраняют соприкосновение двух токоведущих частей, не допускают прямого прикосновения человека с этими частями. Роль диэлектриком в электротехнике не менее важна чем роль проводников, так как обеспечивают стабильную, безопасную работу всех электротехнических и электронных устройств.

У всех диэлектриков существует предел, до которого они не способны проводить электрический ток, его называют пробивным напряжением. Это такой показатель, при котором диэлектрик начинает пропускать электрический ток, при этом происходит выделение тепла и разрушение самого диэлектрика.

Это значение пробивного напряжения для каждого диэлектрического материала разное и приведено в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше, надежней считается диэлектрик.

Параметром, характеризующим способность проводить электрический ток является удельное сопротивление R, единица измерения [Ом] и проводимость, величина обратная сопротивлению. Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электрический ток. У проводников он равен от нескольких десятых, до сотен Ом.  У диэлектриков сопротивление достигает десятков миллионов ом.

Все три вида материалов нашли широкое применение в электроэнергетике и электротехнике. А так же тесно взаимосвязаны друг с другом.

Источник: http://white-santa.ru/provodniki-izolatori/

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Как вы знаете из курса физики восьмого класса, все тела можно классифицировать, в соответствии с их способностью проводить электрический ток. Тело может являться проводником, полупроводником или диэлектриком. Проводниками называют тела, проводящие электричество, а диэлектриками называют тела, не проводящие электричество.

Полупроводники — это тела, которые меняют свои свойства проводимости в зависимости от внешних условий. Но о полупроводниках мы поговорим позже, а сегодня мы рассмотрим проводники и диэлектрики. Рассмотрим, что происходит с проводником, помещенным в электростатическое поле.

Конечно, к проводникам, в первую очередь, относятся металлы, в которых существуют, так называемые, свободные заряды. Свободные заряды — это электрические заряды, способные перемещаться внутри проводника. Как вы знаете, в металлах наблюдается металлическая связь.

Нейтральные атомы металла начинают взаимодействовать друг с другом, в результате чего, некоторые электроны отрываются от атомов и становятся свободными. Эти электроны начинают участвовать в тепловом движении и могут перемещаться по всему проводнику в случайных направлениях.

Иными словами, свободные электроны в проводнике ведут себя подобно молекулам газа. Поскольку все атомы изначально электрически нейтральны, если они теряют электрон, они становятся положительно заряженными ионами.

Таким образом, в проводниках наблюдается следующая картина: положительно заряженные ионы оказываются окружены так называемым электронным газом. Конечно, не надо думать, что электроны образуют какой-то реальный газ. Просто их движение очень напоминает хаотическое движение молекул газа.

Рассмотрим случай, когда металлический проводник находится в однородном электростатическом поле.

Как вы знаете, под действием электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение (то есть, в проводнике возникает электрический ток).

В результате одна сторона проводника заряжается отрицательно, а другая — положительно. Это явление называется электростатической индукцией.

То есть электростатическая индукция — это явление наведения собственного электростатического поля под воздействием внешнего электрического поля.

Итак, из-за электростатической индукции, возникает другое электростатическое поле, создаваемое появившимися зарядами. По принципу суперпозиции полей, это поле накладывается на внешнее поле и компенсирует его. Из этого мы можем сделать очень важный вывод: напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю:

Этот факт используется для создания электростатической защиты: чувствительные к электрическому полю приборы, помещаются в металлические ящики. В настоящее время даже некоторые виды спецодежды включают в себя современные электропроводящие материалы, которые создают внутри костюма замкнутое пространство, защищенное от воздействия электрических полей.

Впервые, эксперимент, подтверждающий отсутствие электростатического поля внутри проводника, провел Майкл Фарадей еще в 1836 году. По его указанию большую деревянную клетку оклеили листами оловянной фольги (которая является проводником). Предварительно клетку изолировали от земли и сильно зарядили ее (так что при приближении к ней тел, с ее поверхности вылетали искры).

Тем не менее, сам Фарадей совершенно спокойно находился внутри данной клетки. Более того, в его руках был исправный электроскоп, который показывал полное отсутствие электрического поля. Впоследствии, подобные конструкции получили название «клетка Фарадея».

Необходимо отметить еще один важный факт: вблизи поверхности (вне проводника) линии напряженности электростатического поля перпендикулярны этой поверхности.

Если бы это было не так, и какая-то линия напряженности была бы не перпендикулярна поверхности, то это привело бы к движению свободных зарядов. Такое движение продолжается до тех пор, пока все силовые линии не станут перпендикулярны поверхности проводника.

Надо сказать, что весь статический заряд любого проводника находится на поверхности этого проводника. В этом легко убедиться, поскольку мы уже выяснили, что напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю.

Следовательно, внутри проводника никакого заряда нет, поскольку в противном случае, он создавал бы отличную от нуля напряженность.

Теперь давайте поговорим о диэлектриках. Диэлектрики в электростатическом поле ведут себя иначе, чем проводники. Диэлектрики, наоборот, не проводят ток, но внутри них может существовать электрическое поле.

Дело в том, что в диэлектриках не возникают свободные заряды, поскольку между ядрами атомов и электронами существует довольно сильная связь. Приведем два классических примера распределения электрического заряда. Как вы знаете, ядро водорода состоит из одного протона, а вокруг этого протона вращается один электрон. В целом, атом электрически нейтрален.

Электрон вращается вокруг протона с очень большой скоростью: за одну секунду он делает порядка 1015 оборотов. Это говорит нам о том, что каждую микросекунду электрон оказывается в любой точке своей орбиты миллионы раз.

Поэтому, смело можно считать, что в среднем по времени центр распределения отрицательного заряда находится в центре атома, то есть совпадает с положительно заряженным ядром.

Тем не менее, есть и другие случаи. Например, молекула поваренной соли состоит из атома натрия и атома хлора. Из курса химии вы знаете, что атом хлора имеет 7 валентных электронов, а у атома натрия всего один валентный электрон.

Поэтому, в процессе образования молекулы, атом хлора захватывает электрон натрия, в результате чего образуется система из двух ионов. Теперь центр распределения отрицательного заряда приходится на ион хлора, а центр распределения положительного заряда приходится на ион натрия.

Тем не менее, в целом молекула остается электрически нейтральна. Подобные системы называются электрическими диполями.

Электрический диполь

В связи с этим, разделяют два вида диэлектриков: неполярные и полярные. Неполярные диэлектрики — это диэлектрики, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.

И наоборот, полярными диэлектриками называются диэлектрики, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

О поляризации диэлектриков мы поговорим более подробно в одном из следующих уроков.

А сейчас давайте рассмотрим величину, характеризующую свойство диэлектрической среды, которая называется диэлектрической проницаемостью.

Эта величина показывает, во сколько раз кулоновская сила взаимодействия между двумя точечными зарядами в данной среде меньше, чем кулоновская сила взаимодействия этих же зарядов в вакууме:

Таким образом, мы можем записать закон кулона для произвольной среды:

В формулу добавляется диэлектрическая проницаемость, то есть, характеристика среды. Диэлектрические проницаемости многих сред измерены и сведены в таблицы. Эти величины измерены экспериментально, например, с помощью измерения кулоновских сил тех же зарядов в различных средах.

Источник: https://videouroki.net/video/63-provodniki-i-dieliektriki-v-eliektrostatichieskom-polie.html

Проводники и диэлектрики. Проводник – это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться. – презентация

1 Проводники и диэлектрики<\p>

2 Проводник – это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля. Проводники<\p>

3 Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных – хорошие проводники электрических зарядов.<\p>

4 Это тела не содержащие внутри свободные электрические заряды. В диэлектриках<\p>

5 Абсолютно непроводящая жидкость – дистиллированная, т.е. очищенная вода, (любая другая вода (водопроводная или морская) содержит какое-то количество примесей и является проводником)<\p>

6 В металле всегда существует большое количество свободных электронов. Электрический ток в металлических проводниках это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля, создаваемого источником тока.<\p>

7 Уильям Гильберт установил, чт о многие тела обладают способностью электризоваться при их натирании, в науке считалось, что все тела по отношению к электризации делятся на два вида: на способные электризоваться при трении, и на тела, не электризующиеся при трении.<\p>

8 Было установлено, что некоторые тела обладают, кроме того, способностью распространять электричество. В 1729 г. Грей английский физик, открыл явление электрической проводимости. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество не распространялось. Именно Грей разделил вещества на проводники и непроводники электричества.<\p>

9 Только в 1739 г. было окончательно установлено, что все тела следует делить на проводники и диэлектрики. К началу 19 века стало известно, что разряд электрических рыб проходит через металлы, но не проходит через стекло и воздух.<\p>

10 Покрытие предметов слоем металла при помощи электролиза называется гальваностегией. Металлизировать можно не только металлические предметы, но и предметы из дерева, листья растений, кружева, мертвых насекомых.<\p>

11 Сначала надо сделать эти предметы жесткими, а для этого подержать их некоторое время в расплавленном воске. Затем равномерно покрыть слоем графита, чтобы сделать их проводящими и опустить в гальваническую ванну с электролитом, пропуская через него некоторое время эл. ток. Через какое-то время на этом электроде выделится металл, содержащийся в растворе, и равномерно покроет предмет.<\p>

12 Работу выполнила ученица 8 а класса: Софонова Ксения.<\p>

Источник: http://www.myshared.ru/slide/1036951/

Проводники и диэлектрики

• ModelZD.ru
• Макеты и модели
• Основы электроники

К проводникам относятся все металлы и их сплавы, а также электротехнический уголь(каменный уголь, графит, сажа, смола и т.д.)К жидким проводникам относятся:вода, раствор солей, кислот и щелочей.К газообразным относятся ионизированные газы.Электрический ток в твердых проводниках-это направленное движение свободных электронов под действием ЭДС.

ЭДС-электронно-движущая сила.

Свойства проводников:

1. Электрические
   • Удельное сопротивление веществ от которого зависит электропроводимость
   • Сверхпроводимость-это свойство некоторых материалов при температуре равной 101(-273) проводить эл.ток без препятствий, т.е. удельное сопротивление этих материалов равно нулю
2. Физические
   • плотность
   • температура плавления
3. Механические
   • Прочность на изгиб, растяжение и т.д., а также способность обрабатываться на станках
4. Химические
   • Свойства взаимодействовать с окружающей или противостоять коррозии
   • Свойства соединятся при помощи пайки, сварки

Диэлектрики

Не пропускают электрический ток.Диэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением.Используются для защиты проводника от влаги, механических повреждений, пыли.

Диэлектрики бывают

• твердые-все неметаллы;
• жидкие-масла, синтетические жидкости СОВОЛ, СОВТОЛ
• газообразные-все газы:воздух, кислород, азот и т.д.

Свойства диэлектриков:

1. Электрические свойства
   • Электрический пробой-устанавление большого тока, под действием высокого электрического напряжения к электроиоляционному материалу определенной толщины.
   • Электрическая прочность-это величина, равная напряжению, при котором может быть пробит электроизоляционному материал толщиной в единицу длины.
2. Физико-химические свойства
   • Нагревостойкость-это способность диэлектрика длительно выдерживать заданную рабочую температуру без заметного изменения своих электроизоляционных качеств.
   • Холодостойкость-способность материала переносить резкие перепады температуры, от +120, до – 120
   • Смачиваемость-способность материала отторгать влагу, испытания проводятся в климатических камерах, типа ELKA, где изделие подвергается увлажнению, создается ТУМАН и мгновенный перепад температуры-СУШКА, и так несколько циклов!
3. Химические
   • Должны противостоять активной(агрессивной) среде
   • Способность склеиваться
   • Растворение в лаках и растворителях, склеиваться
4. Механические
   • Защита металлических проводников от коррозии
   • Радиационная стойкость
   • Вязкость(для жидких диэлектриков)
   • Вязкость-время истечения жидкости из сосуда, имеющего определенную форму и отверстие
   • Предел прочности, твердости
   • Обработка инструментом

Источник: http://www.modelzd.ru/electronic_02.html

Методическая разработка (физика, 8 класс) на тему: Методическая разработка урока “Электроскоп. Электрометр. Проводники и диэлектрики”

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

Гимназия №63

Калининского района

Санкт-Петербурга

Урок физики

8 класс

Тема: Электроскоп. Электрометр. Проводники и диэлектрики.

Вид урока: урок изучения нового материала

Методы урока: рассказ, демонстрация, выполнение исследования.

Оборудование: ПК+ проектор (презентация), рабочие листы,

Лабораторное оборудование: мензурка (250мл) 14 шт, металлический стержень с крышкой 14 шт, листочки из металлической фольги 28шт, шерстяная ткань 14шт, авторучка без стержня 14 шт, образцы из стекла, пластмассы и алюминия пронумерованные 14 шт.  

Цель урока: Цель урока:  сформулировать правила электробезопасности на основе знаний о проводниках и диэлектриках.

Задачи урока:

– познакомить с устройством и принципом работы электроскопа и электрометра;

– сформировать представление о проводниках и диэлектриках;

– развивать умение работать в группе и паре;

– развивать навыки самостоятельности выдвижения гипотез и умозаключений, приобретения опыта самостоятельного поиска, анализа и отбора информации для решения конкретных практических задач;

– развивать монологическую речь, умение выражать свои мысли, способность слушать, понимать признавать право человека на иное мнение.

Используемые технологии: информационно- коммуникационные технологии, технология системно-деятельностного подхода, технология исследовательской деятельности.

Учитель: Сомова Светлана Николаевна

Дата проведения: 27.11.2013

План урока

I Организационный момент (0,5 мин)

II Изучение нового материала (20 мин)

III Исследование (15 мин)

IV Закрепление (5мин)

V Инструктаж по выполнению домашнего задания. (5 мин)

I Организационный момент.

Ход урока

Учитель: здравствуйте ребята. Сегодня, на нашем уроке присутствуют гости, поприветствуем их. Присаживайтесь. Проверьте свою готовность к уроку, на партах у вас должны быть учебники, дневники, письменные принадлежности лабораторное оборудование и маршрутные листы, в которых вы будете работать.

На предыдущем уроке мы с вами познакомились с явлением электризации тел и обсудили, как используют электризацию в промышленности, сельском хозяйстве, печатном, музейном  деле, медицине и т.п.

Сейчас я предлагаю вашему вниманию описание еще нескольких ситуаций, проявления  электризации тел.

Прочитайте, пожалуйста, фрагменты статей из газет и журналов, приведенные в вашем маршрутном листе и скажите, как проявила себя в этих примерах электризация.

Учитель: скажите, как проявила себя в этих примерах электризация.

Ученики: в этих примерах электризация проявила себя с негативной стороны.

Учитель: А можно ли было этих ситуаций избежать. Если да, то чем нужно руководствоваться или соблюдать, чтобы подобных случаев не происходило.

Учитель: Можем ли мы с вами утверждать, что знаем на сегодняшний день эти правила, а самое главное понимаем, почему их нужно соблюдать?

Ученики: на сегодняшний день мы слышали об этих правилах, но четкого понимания их нет.

Учитель: Исходя из сказанного, что же сегодня будет нашей основной целью?

Ученики: целью нашего урока будет формулирование правил электробезопасности.

Учитель: прежде, чем мы приступим к непосредственной разработке правил, давайте вспомним, каким образом строится новое физическое знание? С чего начинается любая теория или физический закон?

Ученики: наблюдение, гипотеза, эксперимент, выводы.

Учитель: поэтому начнем мы с наблюдения, которое к нам пришло из древности. Существует легенда, согласно которой в древности на одном из званных ужинов хозяйка случайно уронила перечницу в солонку и соль с перцем перемешались.

Это была катастрофа, поскольку по тем временам соль и перец были дорогостоящими продуктами «на вес золота».

Но один из приглашенных гостей не растерялся и достал свой шелковый платок, а хозяйку попросил принести предмет, который сегодня есть у нас на столе, что это за предмет?

Ученики: стеклянную палочку

Учитель: попытаемся разделить соль от перца с помощью электризации.

Ребята, скажите, что мы наблюдаем?

Почему мы смогли отделить соль от перца?

Ученики: отделить соль от перца удалось потому что они по разному ведут себя в присутствии наэлектризованного тела.

Учитель: Действительно, все вещества по  взаимодействию с электрическими зарядами можно разделить на два класса проводники и диэлектрики. Откройте свои рабочие лист, прочитайте про эти два класса веществ и запишите определения. Причем каждый записывает определение только для одного вещества, которое отмечено зеленым цветом.

Поменяйтесь своими маршрутными листами. Сравните, определение, которое вы видите на экране с тем, что написано у вашего одноклассника.  Если определение написано, верно, поставьте в зеленый кружок 1, если неверно 0.

Поменяйтесь работами вновь и запишите недостающее определение.

Учитель: Вернемся к тем ситуациям, о которых прочитали в маршрутных листах. Давайте сделаем предположение, какие из материалов использовались неверно в описанных ситуациях (запишите свое предположение). А дальше отнесите записанные в столбик вещества и тела по своему усмотрению, пользуясь своим жизненным опытом, к проводникам или диэлектрикам.

Учитель: Итак, мы построили гипотезу на основе наблюдения. Какой наш следующий шаг?

Ученики: выполним эксперимент.

Учитель Действительно, необходимо поставить эксперимент, который поможет нам ответить на вопрос: верна наша гипотеза или нет, правильно ли мы относили вещества к проводникам и диэлектрикам или нет.

Учитель: Скажите, ребята, что нам необходимо  для того, что поставить эксперимент?

Ученики: нам нужен измерительный прибор.

Учитель: Верно, нам необходимо устройство, которое реагирует на появление электрического заряда.

Такое устройство называется электроскопом. Одним из его разновидностей является электрометр. Откройте учебники на стр56 и прочитайте про электроскоп и электрометр. Запишите  одно определение, отмеченное в листе зеленым цветом.

Проверьте свои определения. Обсудите в паре отличительные черты электроскопа и электрометра. И запишите их в маршрутный лист.

Проверьте себя и оцените работу (1 или 0)

Учитель: Найдите на демонстрационном столе электроскоп и электрометр.

Учитель: Первое предположение мы проверим с вами вместе. Это предположение о проводимости тела человека. Наэлектризуем электроскоп, посмотрите, листочки электроскопа разошлись на некоторый угол.

Подскажите мне, как с помощью электроскопа можно проверить, какими свойствами обладает тело человека проводящими или диэлектрическими.

Ученики: нужно дотронуться рукой до электроскопа и посмотреть на листочки, если листочки опадут, значит тело человека проводник, если нет то диэлектрик.

Учитель: Посмотрите, как только я коснулась рукой до шарика электроскопа, листочки опали, какой я могу сделать из этого вывод.

Действительно тело человека является проводником электричества, что существенно осложняет жизнь человека в смысле работы с электроприборами.

Учитель: На партах у вас находятся три образца веществ, которые мы должны отнести к проводникам или диэлектрикам. Можно ли это сделать?

Ученики: нет.

Учитель Нет, вам недостаёт измерительного прибора. Сконструируйте, пожалуйста, из предложенных материалов свой электроскоп.

Учитель: Теперь проверьте работоспособность электроскопа, наэлектризовав его с помощью палочки и кусочка шерсти.

Определите класс веществ, которые у вас в распоряжении.

Запишите вывод.

Учитель: Мы поставили эксперимент, что мы должны теперь сделать?

Верно, проверим результаты эксперимента с выдвинутой гипотезой.

Поменяйтесь работами. Сравните результаты вашего одноклассника с тем, что написано на слайде. Внесите коррективы и посчитайте количество верных предположений, запишите в зеленый кружок.

Учитель: Вернемся теперь к правилам, которые нужно соблюдать, для того что бы проявление электризации не несло за собой нежелательные последствия.

1. Необходимо знать к какому классу вещества относится вещество, с которым выполняются электрические работы.
2. Одежду обрабатывать антистатиком.
3. Трущиеся детали должны быть проводящими или заземлены.
4. Для нежелательной проводимости между двумя проводниками должен быть диэлектрик.

Учитель: Молодцы, мы  успешно достигли с вами поставленной цели урока, сформулировали основные правила электробезопасности.  Скажите, что для этого нам было необходимо сделать?

Ученики: нам нужно было узнать что такое проводники и диэлектрики и познакомится с таким прибором как электроскоп.

Учитель: Вашим домашним заданием будет стр 56 (22) учебника и выполнить  макет плаката по электробезопасности, а так же предложить место где такой плакат можно установить.

Учитель: На ваших столах приклеены листочки желтого и зеленого цветов. Выберите зеленый если вы считаете, что сформулированные нами правила действительно важны для безопасной жизни и деятельности человека, выберите желтый, если так не считаете. Запишите на листочке свою фамилию и количество набранных за урок баллов.

Источник: https://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2014/03/25/metodicheskaya-razrabotka-uroka-elektroskop-elektrometr-provodniki