Izolatori dielectrici sunt substanțe care nu conduc electricitatea

Dielectrici sunt substanțe care nu conduc electricitatea. Dielectrici sunt numite și izolatori. În dielectrici, spre deosebire de conductori nu sunt purtatori de sarcina - particule încărcate care ar fi putut veni sub influența câmpului electric în mișcarea ordonată și formează un curent de conducere. Mai precis, în concentrație dielectrică a purtătorilor de sarcină liberi într-un timp mai mic decât conductorii.

Atunci când se face tija dielectrică într-un câmp electrostatic uniform, se va transforma, încercând să rămână liniile normale de forță. În cazul în care câmpul nu este uniformă, atunci tija nu numai că va transforma, ci și să se implice în regiunea unui câmp puternic. Acest comportament este similar cu comportamentul unei tije metalice. Cu toate acestea, în cazul în care în momentul de a fi într-un câmp electrostatic miez împărțită în jumătate, fiecare piesă se va comporta bine. Acest comportament poate fi explicat prin presupunând că apar navedennye taxe în dielectric. Cu toate acestea, ele nu pot fi eliminate. Spre deosebire de sarcinile conductorilor libere, taxele sunt legate dielectrice.

Toate moleculele dielectrice sunt neutre electric. încărcătura totală de electroni și nuclee atomice în molecula este zero. Într-o primă aproximație, o moleculă poate fi considerată ca un dipol electric cu un moment electric de dipol, unde q - sarcină netă pozitivă a nucleelor ​​atomice în moleculă, și - un provedenny vector al „centrului de greutate“ a electronilor din molecula în „centrul de greutate“ al sarcinilor pozitive ale nucleelor ​​atomice. Ca orice moleculă de dipol electric câmp electric Sozdaet.

Dielectric numit nepolar (molecule non-polare, cu un dielectric), în cazul în care, în absența unui câmp electric extern „centrelor de greutate“ de sarcini pozitive și negative, în molecula de dielectric momentelor dipol moleculare sovpadayuti sunt egale cu zero (și altele). Într-un câmp electric extern, deformarea cochilii de electroni ale atomilor și moleculelor. „Centrul de greutate“ de sarcini pozitive și negative sunt deplasate în raport cu celălalt. molecula nepolară dobândește câmpului electric indus (navedenny) momentului dipol electric. proporțională domeniu napryazhennosti:

în cazul în care - polarizabilitatea a moleculei. depinde numai de molecula obem. molecula nepolar este similar cu dipol cvasi elastic. a cărui lungime de braț este proporțională cu rezistența la tracțiune, adică, proporțională cu intensitatea câmpului electric extern. Moțiunea termică a moleculelor nepolare nu afectează aspectul ei indus molecule dipolare electrice: vectori coincid întotdeauna cu direcția vectorului și polarizabilitatea nu depinde de temperatură.

dielectric polar (izolator cu molecule polare) este numit un dielectric, molecule sau atomi care electronii sunt aranjate nucleele atomice relative asimetrici (și colab.). In astfel de molecule de „centrele de greutate“ de sarcini pozitive și negative nu coincid, chiar și în absența unui câmp electric extern. Molecule de dielectrici polari cu proprietăți similare dipol rigid. în care există o constantă (modulo) Moment elektricheskiydipolny.

Într-un câmp electric extern uniform pe zhestky dipol care acționează cuplu forță, cuplul este egal cu:

Dacă dipol este într-un domeniu non-uniform, iar forța rezultantă care acționează asupra ea, cu excepția cuplului:

Dacă izolatorul polar nu este într-un câmp electric extern, ca urmare a vectorilor de mișcare termice moleculare ale momentelor dipol sunt orientate aleatoriu, iar suma dipol momente ale tuturor moleculelor conținute în orice volum macroscopic mic de dielectric este zero.

Dielectric non-polar, nu in domeniul electric, sunt zero, momente de dipol ale fiecărei molecule individuale.

Atunci când se face dielectric într-un câmp electric extern, are loc polarizarea dielectrică. care constă în faptul că orice cantitate mică de ea există un non-zero totala dipol moment al moleculelor. Izolator într-o astfel de stare se numește polarizată. În funcție de structura de molecule sau atomi de dielectric disting trei tipuri de polarizare:

a) polarizare orientată molecule polare.

Acest lucru ridică orientarea preferențială a momentelor dipol ale moleculelor de-a lungul câmpului electric crește odată cu creșterea intensității câmpului electric și cu scăderea temperaturii.

b) electronic (deformare), polarizarea dielectricilor nepolare. Sub influența unui câmp electric extern având momentul de dipol induse direcționat de-a lungul câmpului. Moțiunea termică a moleculelor nu are nici o influență asupra polarizarea electrică.

c) polarizarea ionică. având o structură cristalină ionic.

O măsură cantitativă a polarizării dielectric este un polarizabilitate vector. Polarizare (vectorul de polarizare) este raportul dintre momentul de dipol electric al volumului dielectric la mici obem velichineetogo:

în care: - dipol momentul electric al moleculei i-lea, n - numărul total de molecule din volum. Acest volum ar trebui să fie suficient de mici pentru a fi luate în considerare într-un câmp electric omogen în cadrul acestuia. Numărul n de molecule din volumul ar trebui să fie suficient de mare pentru ca acestea să fie în măsură să aplice metode statistice.

Pentru dielectric nepolar în intensitatea câmpului electric:

în care - concentrația moleculelor - indus momentul de dipol al unei molecule, - constanta relativă dielectrică a substanței (adimensional).

Pentru dielectric polar într-un câmp electric:

în care: - valoarea medie a vectorului momentului dipol pentru toate moleculele n. conținut mic.

În cazul polarizării dielectrice în câmpuri electrice slabe:

și. unde k - constanta Boltzmann T - temperatura termodinamică.

Aceste formule sunt valabile pentru dielectrici izotrope electric. Pentru ei, o valoare scalară coincide cu direcția. În cazul în care izolatorul este anizotropic, ea - valoarea tensorului. vectori coliniari, și numai în anumite direcții.

Luați în considerare o bucată de dielectric uniformă având forma unui paralelipiped oblic. Se pun într-un câmp electric uniform paralel direcționată spre marginile laterale. Pe baza cutiei va fi polarizată taxele de suprafață de densitate. Pe fețele laterale ale fețelor polarizate nu vor apărea.

S - suprafața de bază, - dipol momentul dielectric, - vectorul de polarizare.

De aceea :. Înmulțim această expresie este un scalar pe: - această formulă este valabilă în cazul general. Densitatea superficială a polarizării percepe egală cu proiecția vectorului polarizare în exterior normală.

Vom calcula taxa de polarizare care intră prin suprafața S închis în volumul V, cu polarizare. Atunci când o polarizare uniformă. Scriem teorema lui Gauss, în cazul existenței unor sarcini libere și polarizare:

. dar; , - polarizare electrică (deplasare electrică).

Teorema Gauss pentru dielectricilor:

Forma diferențială a teoremei lui Gauss:

Folosind aceasta, vom scrie; - constanta relativa dielectrică a mediului.

Anterior am considerat legile de bază ale fenomenelor electrice și electromagnetice: Teorema Ostrogradskii Gauss, legea actuală totală și legea inducției electromagnetice. Aceste legi sunt o generalizare a faptelor experimentale. Ele ne permit să rezolve problema principală care apar în studiul fenomenelor electromagnetice dintr-o anumită distribuție a taxelor și a curenților pentru a determina de ei în fiecare punct în spațiu, câmpurile electrice și magnetice.

La sfârșitul anilor 60-e din secolul al XIX-lea, Maxwell, pe baza ideilor lui Faraday despre câmpurile electrice și magnetice, rezumate legile stabilite prin experimentare, și a dezvoltat o teorie completă a unui singur câmp electromagnetic. cheltuieli generate și sistemul de curenți.

Teoria lui Maxwell - teoria fenomenologic. Acest lucru înseamnă că mecanismul intern al fenomenelor care au loc în mediul înconjurător și care provoacă apariția de câmpuri electrice și magnetice, în teorie, nu sunt luate în considerare.

Proprietățile electrice și magnetice ale mediului caracterizat prin teoria lui Maxwell trei cantități: permitivitatea relativă, permeabilitatea magnetică relativă și conductivitatea electrică.

Teoria lui Maxwell este o teorie a câmpului electromagnetic macroscopic. Se discută despre câmpurile electrice și magnetice generate de taxe și curenți macroscopice, adică taxele, sunt concentrate în volume mult mai mari decât volumul atomilor individuali si molecule. În plus, se presupune că distanța de la sursă la câmpurile considerate ca puncte în spațiu de multe ori mai mare decât dimensiunea moleculelor. Prin urmare, câmpurile schimbări semnificative examinate în teoria Maxwell, posibil doar pentru distanțe, mari în comparație cu dimensiunea atomilor și moleculelor.

De fapt, curenții macroscopice și taxele sunt cheltuieli agregate microscopice și curenți care creează propriile lor câmpuri electrice și magnetice, schimbându continuu în fiecare punct al spațiului. Prin urmare, rezultă câmpuri electrice și magnetice sunt întotdeauna variabile. Aceste câmpuri sunt numite microarray. Prin urmare, teoria în Maxwell considerate în medie câmpuri electrice și magnetice, și o medie de microarray respectiv este produs pentru intervalele de timp substanțial perioade mai lungi de tratament sau oscilații ale tarifelor elementare, și site-uri la câmp, al căror volum este de multe ori mai mare decât volumul de atomi și molecule.

Teoria lui Maxwell se bazează pe faptul că interacțiunile electrice și magnetice apar prin intermediul unor câmpuri electrice și magnetice, în care se propagă cu o viteză finită. De o mare importanță a fost descoperirea Maxwell faptul că viteza de propagare a interacțiunilor electrice și magnetice este viteza luminii într-un anumit mediu. Teoria lui Maxwell - teoria cu rază scurtă.

Prima ecuație Maxwell

(Legea inducției electromagnetice)

In studiul inducției electromagnetice a subliniat ca EMF curentului indus electric turbionari determinat prin schimbarea fluxului magnetic: deoarece timpul trebuie să fie scris derivare parțială, iar în cazul în imobil piață nedeformabil.

, dar din cauza câmpului potențial.

- ecuația primului Maxwell în formă integrală.

Fluxul magnetic prin orice suprafață calculată, bazată pe contur, care este luată de circulația câmpului electric. Maxwell a propus a considerat că această expresie deține pentru orice altă buclă închisă arbitrar ales într-un câmp magnetic alternativ: circulația vectorului câmp electric al unui traseu închis arbitrar este luat cu semn negativ al schimbării vitezei fluxului magnetic printr-o suprafață delimitată de conturul.

A doua ecuație Maxwell

(Legea totală consolidată actuală)

Din legea curent total

în care - curenții acoperite contur rezultă că sursa de câmp magnetic sunt ordonate în mișcare sarcini electrice (curent electric). Maxwell a sugerat că, în plus față de curenții asociate cu mișcarea ordonată a taxelor, sursa de câmp magnetic este, de asemenea, un câmp electric variabil. Într-adevăr, printr-o teorema lui Gauss-Ostrogradskii:

în care - suma algebrică a sarcinilor electrice acoperite de suprafața închisă; - vector inducției câmpului electric (- vector de polarizare - constanta relativă dielectrică a mediului, - vectorul câmpului electric).

Diferențierea ecuația înregistrată în timp: - partea din dreapta a acestei formule are dimensiunea actuală. Dar: așa - numita densitate de curent de deplasare.

Actuala prejudecată - valoarea numerică a componentei normale a densității de curent din cauza nici o mișcare a taxelor electrice libere (curent conducție), și schimbarea în timp a câmpului electric. Este existența curentului de polarizare determină existența unui circuit deschis (condensator) AC.

In 1876, fizicianul englez Henry Rowland demonstrat experimental că curentul generat de un corp încărcat în mișcare (curent convențional) asociat cu câmpul magnetic același ca acesta este egal cu curentul în conductorul staționar. Mai târziu, în 1903 oamenii de știință români A.A.Eyhenvaldom au studiat experimental câmpul magnetic al prejudecată curente și polarizarea curentului.

- ecuația a doua Maxwell în formă integrală.

Circulația câmpului magnetic de-a lungul unui contur L arbitrar este egal cu curentul total (offset și conductivitate) perforarea orice suprafață S. sprijinindu-se pe această cale.

A treia ecuație Maxwell

(Teorema curgerii deplasare electrice)

Hraneste vector de deplasare electric printr-un arbitrar poverhnostS acoperind disponibilitatea zaryadyq este egal cu suma algebrică a acestuia din urmă închis:

- a treia ecuație Maxwell în formă integrală.

în cazul în care - densitatea de încărcare de volum.

a patra ecuația lui Maxwell

(Teorema fluxului magnetic)

Fluxul magnetic prin orice suprafață închisă este întotdeauna nulă:

- a patra ecuație Maxwell în formă integrală.

Aceasta înseamnă că vectorul câmp este pur vortex (sau că nu există taxe magnetice).

Forma diferențială a ecuațiilor lui Maxwell

Mai mult utilizate în mod obișnuit sub formă diferențială a ecuațiilor lui Maxwell care pot descrie câmpul electromagnetic în orice punct din spațiu. Pentru ecuațiile lui Maxwell în formă Ostrogradskii diferențiale folosesc Teorema Gauss și Stokes teorema.

Pe măsură ce volumul și zona de integrare a arbitrare, ar trebui să fie integrands egale:

Numărul variabilelor 6 (1 scalar și cantități vectoriale 5). Maxwell a introdus, trei caracteristici ale mediului - conductivitate - dielectric constant - permeabilitatea și ecuațiile aferente acestor caracteristici cu vectorii câmpului electromagnetic (ecuații constitutive):

Sistemul de ecuații rezultat este completă:

Acest sistem de ecuații completează ecuația care exprimă interacțiunea vigoare a taxelor, curenții și câmpurile magnetice: