Sv1ca-4.ru

Строй журнал
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Почему диэлектрики не проводят электрический ток а проводники проводят

Почему раствор сахара не проводит электрический ток, а раствор хлорида натрия проводит

Из школьного курса физики известно, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. При этом должно соблюдаться как минимум два условия — это наличие свободных носителей заряда и присутствие электрического поля. Рассмотрим более подробно какие вещества проводят электрический ток, и какие условия для этого должны быть созданы.

Общим для всех вариантов будет обязательное наличие поля, только в этом случае возможно создание силы, которая будет приложена к заряду для его перемещения от одного электрода к другому.

Правила комментирования

Эти несложные правила помогут Вам получать удовольствие от общения на нашем сайте!

Для того, чтобы посещение нашего сайта и впредь оставалось для Вас приятным, просим неукоснительно соблюдать правила для комментариев:

Сообщение не должно содержать более 2500 знаков (с пробелами)

Языком общения на сайте АиФ является русский язык. В обсуждении Вы можете использовать другие языки, только если уверены, что читатели смогут Вас правильно понять.

В комментариях запрещаются выражения, содержащие ненормативную лексику, унижающие человеческое достоинство, разжигающие межнациональную рознь.

Запрещаются спам, а также реклама любых товаров и услуг, иных ресурсов, СМИ или событий, не относящихся к контексту обсуждения статьи.

Не приветствуются сообщения, не относящиеся к содержанию статьи или к контексту обсуждения.

Давайте будем уважать друг друга и сайт, на который Вы и другие читатели приходят пообщаться и высказать свои мысли. Администрация сайта оставляет за собой право удалять комментарии или часть комментариев, если они не соответствуют данным требованиям.

Редакция оставляет за собой право публикации отдельных комментариев в бумажной версии издания или в виде отдельной статьи на сайте www.aif.ru.

Если у Вас есть вопрос или предложение, отправьте сообщение для администрации сайта.

Диэлектрики

Если среда содержит очень мало свободных зарядов (или не содержит их вообще), такая среда не может проводить электрический ток и является непроводником (диэлектриком, изолятором).

В отличие от кристаллов проводников, кристаллы диэлектрика имеют такую пространственную структуру, что внешние электроны не могут далеко удалиться от ионов. В результате даже при приложении достаточно большого внешнего электрического поля ток в диэлектрике не возникает. Типичными примерами непроводников является стекло или пластмассы.

Жидкости-диэлектрики – это жидкости, в которых нет растворенных примесей, а молекулы этих жидкостей сами по себе ионами не являются, например, дистиллированная вода.

Газы в нормальных условиях, как уже было сказано выше, содержат очень мало заряженных частиц, и являются хорошими изоляторами. Примером может являться обычный воздух.

Граница между проводниками и непроводниками достаточно условна. Кроме того, существуют вещества, занимающие промежуточное положение, они называются полупроводниками. В таких веществах количество свободных зарядов не так велико, как в металлах, однако, значительно больше, чем в диэлектриках. К типичным полупроводникам относится кремний.

Под публикациями о ежегодном отключении горячей воды в комментариях часто разворачивается обмен мнениями о том, есть ли толк в проточном водонагревателе. Например, под этой недавней публикацией. Есть мнение, что либо водонагреватель должен быть очень мощным, либо поток воды на выходе будет едва теплым и очень очень слабым.

Ниже два видеоматериала общей продолжительностью чуть менее двух минут, но сначала совершенно необходимая совершенно беспощадная физика.

Требуемая мощность зависит от трех параметров.

Первый – объем воды, проходящей через водонагреватель в единицу времени. Чем больше литров в минуту – тем большая нужна мощность.

Второй – температура воды на входе. Чем она ниже – тем большая нужна мощность. Третий – требуемая температура воды на выходе. Чем она выше – тем большая нужна мощность. В общем, чем больше разность температур на входе и выходе – тем большая нужна мощность.

Зная значения этих трех параметров, можно посчитать требуемую мощность по формуле.

мощь в ваттах = (число литров в минуту) × (разность между температурами на входе и выходе) × (удельная теплоемкость) / (число секунд в минуте)

Число литров в минуту определим, измерив секундомером время наполнения мерного ведра из душа при открытой «как обычно при мытье» воде. Может получиться четыре литра в минуту – зависит от аппетитов и душа. Разность температур примем тридцать градусов – нагрев воды с десяти до сорока градусов. Удельную теплоемкость возьмем из таблицы и округлим до 4200. Число секунд в минуте примем равным 60.

. и получим 8400 ватт требуемой мощности. Столько из «обычной» розетки на 16 ампер безопасно получить нельзя, нужно правильно сделанное подключение проводом большого сечения через автоматический выключатель на большой ток в правильно доработанном вводном щите. У многих читателей общее разрешенное потребление ниже этой требуемой мощности по техническим причинам, и им о потреблении такой мощности остается только мечтать.

Читать еще:  Удлинитель hdmi вилка розетка

Чтобы обойтись «обычной» розеткой на 16 ампер, нужно снизить мощность до 3–3.5 киловатт.

С температурой водопроводной воды на входе мало что можно сделать. Ожидаемую температуру на выходе можно уменьшить, но тогда затея с водонагревателем теряет смысл. Остается уменьшать число литров в минуту.

И самое время вспомнить о технических способах экономии воды. Чтобы расходовать меньше воды, придумали душ с пониженным расходом воды. В нем меньше отверстий, а скорость воды на выходе выше. Некоторые водонагреватели идут в комплекте с такими. Вот этот видеоролик наглядно показывает разницу между «обычным» душем и душем с пониженным расходом воды.

С 0:02 по 0:12 похоже на насмешку. Все остальное время видеоролика – намного интереснее, мыться удобнее, чем при использовании ковша и кадки теплой воды с ограниченным объемом.

В следующем видеоролике автор показывает, как водонагреватель нагревает воду с 13 до 38 градусов, это 25 градусов разности температур – почти та же разность температур, что была принята в расчетах выше.

Чтобы нагреть 4 литра воды в минуту на 25 градусов, потребовалась бы мощность в семь киловатт (та же формула, что и ранее). Внимательный читатель может заметить, что это вдвое больше мощности нагревателя в видеоматериале – следовательно, в видеоматериале нагреватель нагревает вдвое меньше воды в единицу времени, это примерно два литра в минуту.

Физика беспощадна, с ней в комментариях не поспоришь. Если нужно обойтись «обычной» розеткой на 16 ампер – есть выбор. Либо мощность около трех с половиной киловатт и показанный выше душ, либо предварительный нагрев воды в чайнике или ведре, либо накопительный водонагреватель подходящего объема, либо «да ладно, холодная вода не такая и холодная».

Можно попытаться убавить поток воды и в результате еще немного повысить температуру на выходе, но в водонагревателе может сработать автоматическое отключение нагрева. Температура воды на входе зависит от конкретного водопровода и времени года, водонагреватель только повышает температуру воды на некоторую разницу, температура на выходе при этом может оказаться недостаточно интересной.

Большое спасибо автору двух показанных в этой публикации видеоматериалов. В общей сложности чуть менее двух минут видеоматериала намного полезнее, чем недели изучения рекламы, описаний, обзоров и отзывов.

Очень внимательные читатели могли обратить внимание, что в середине текста содержится такая фраза: снизить мощность до 3–3.5 киловатт. Они могли подумоть: почему там не одно значение мощности, а диапазон? А потому что закон Ома, вот почему. В зависимости от напряжения в электросети водонагреватель «на 3.5 киловатта» может потреблять больше или меньше заявленной мощности и может как заработать через автоматический выключатель на 16 ампер, так и не заработать. Об этом будет отдельная публикация.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

1. Проводники в электрическом поле

Напомним, что заряженные частицы, которые могут перемещаться в веществе, называют свободными зарядами.

Если поместить проводник в электрическое поле, то находящиеся в нем свободные заряды придут в движение и в проводнике возникнет направленное движение зарядов, то есть электрический ток. Проводники потому так и называются, что они проводят электрический ток.

Лучшие проводники – металлы. Свободными зарядами в металлах являются свободные электроны. Поскольку электроны имеют отрицательный электрический заряд, действующая на них со стороны электрического поля сила направлена противоположно напряженности электрического поля.

За направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов. Поэтому в металлах направление электрического тока противоположно направлению движения свободных зарядов – электронов (рис. 52.1).

Внесем, например, металлический шар в однородное электрическое поле (рис. 52.2).

? 1. В каком направлении будут двигаться при этом свободные электроны? Каким будет направление кратковременного электрического тока?

В результате на одной стороне шара появится избыток электронов, то есть возникнет отрицательный заряд, а на другой его стороне – недостаток электронов, то есть возникнет положительный заряд (рис. 52.3).

? 2. Объясните, почему поле, созданное этими зарядами внутри проводника, направлено противоположно внешнему полю.

Свободные электроны будут двигаться до тех пор, пока на них будет действовать сила со стороны электрического поля.

? 3. Объясните, почему равновесие зарядов в проводнике возможно только при условии, что напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю (см. рис. 52.3).

Перераспределение зарядов в проводнике, в результате которого напряженность электрического поля внутри проводника обращается в нуль, называют электростатической индукцией.

При равновесии зарядов напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю:

= 0.

Вследствие принципа суперпозиции полей перераспределение зарядов в проводнике изменяет и поле вне проводника. В результате линии напряженности поля вне проводника деформируются.

? 4. Объясните, почему вблизи поверхности проводника линии напряженности электрического поля перпендикулярны поверхности проводника (см. рис. 52.3).
Подсказка. Когда заряды в проводнике находятся в равновесии, на них не действует сила, направленная вдоль поверхности проводника (иначе заряды двигались бы вдоль поверхности проводника).

Читать еще:  Asus transformer book t100ta розетка

При равновесии электрических зарядов в проводнике они расположены всегда на поверхности проводника. Причем это справедливо как для незаряженного, так и для заряженного проводника.

Электростатическая защита

При равновесии зарядов напряженность электрического поля равна нулю не только в сплошном изолированном проводнике, но и внутри полого проводника. По этой причине, например, напряженность поля внутри однородно заряженной сферы равна нулю (если внутри сферы нет заряженных тел).

Это свойство проводников в электрическом поле используют для сования электростатической защиты: например, чувствительные к электрическому полю приборы заключат в металлические ящики. Причем я этого не обязательно даже, чтобы стенки ящиков были сплошными: достаточно использовать металлическую сетку, которую называют иногда «сеткой Фарадея» (рис. 52.4).

Электростатическую защиту используют также, чтобы защитить людей, работающих в сильном электрическом поле: в таком случае металлической сеткой окружают пространство, в котором работают люди.

2. Диэлектрики в электрическом поле

Как вы уже знаете, в диэлектриках нет свободных зарядов. Однако это не значит, что в них вообще нет заряженных частиц: ведь в атомах и молекулах диэлектриков, как и любых других веществ, есть положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны.

В диэлектриках все электроны сильно связаны со своими атомами, поэтому их называют «связанными электронами». Но под действием внешнего электрического поля молекулы диэлектриков поворачиваются или изменяют форму (деформируются).

Рассмотрим подробнее, как это происходит в диэлектриках разного вида.

Полярные диэлектрики. В молекулах некоторых веществ центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

Например, в молекуле воды, состоящей из одного атома кислорода и двух атомов водорода, электроны атомов водорода большую часть времени проводят вблизи атома кислорода, в результате чего возле атома кислорода образуется отрицательный полюс, а возле атомов водорода – положительный полюс.

Такие диэлектрики называют полярными, потому что у молекул этих диэлектриков есть два полюса зарядов – положительный и отрицательный (рис. 52.5, а).

Под действием электрического поля молекулы полярных диэлектриков поворачиваются (рис. 52.5, б) и ориентируются вдоль линий напряженности поля (рис. 52.5, в).

Неполярные диэлектрики. Диэлектрики, в молекулах которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, называют неполярными (рис. 52.6, а). К ним относятся, например, многие газы.

Под действием внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды в молекуле «растаскиваются» в противоположные стороны. В результате центры распределения положительных и отрицательных зарядов перестают совпадать (рис. 52.6, б).

Деформированная молекула с точи зрения распределения зарядов становится подобной полярной молекуле, ориентированной вдоль линий напряженности поля.

Поляризация диэлектриков

Итак, под действием внешнего электрического поля молекулы как полярных, так и неполярных диэлектриков выстраиваются по направлению напряженности внешнего электрического поля.

Это явление называют поляризацией диэлектрика.
В результате поляризации диэлектрика на его поверхности появляются заряды. Как мы уже говорили, эти заряды называют связанными, потому что они обусловлены смещением заряда только внутри молекул (а не во всем образце, как это происходит при движении свободных зарядов в проводнике).

На рисунке 52.7 схематически показано, как в результате поляризации диэлектрика на его поверхности появляются связанные заряды.

Мы видим, что положительные и отрицательные заряды, образовавшиеся вследствие поляризации, внутри диэлектрика компенсируют друг друга. А на поверхности диэлектрика такой компенсации нет: поэтому и возникают поверхностные заряды.

Рассмотрим теперь, как изменяется напряженность электрического поля при внесении в него диэлектрика вследствие появления связанных зарядов.

Заметим, что напряженность поля поляр, созданного связанными зарядами, направлена противоположно напряженности внеш внешнего электрического поля (см. рис. 52.7).

Поэтому согласно принципу суперпозиции поле, созданное связанными зарядами, уменьшает напряженность поля внутри диэлектрика (однако не до нуля, как в случае проводника).

вследствие поляризации диэлектрика напряженность электрического поля внутри диэлектрика уменьшается.

Благодаря поляризации незаряженные диэлектрики притягиваются к заряженному телу независимо от знака его заряда.

Дело в том, что электрическое поле вокруг заряженных тел неоднородно: чем ближе к заряженному телу, тем больше напряженность поля.

Когда незаряженный диэлектрик вносят в электрическое поле, на его поверхности появляются связанные заряды противоположных знаков. В результате на разные части диэлектрика со стороны поля действуют противоположно направленные силы (рис. 52.8). И в неоднородном поле «побеждает» та сила, которая действует на заряды, находящиеся в более сильном поле, то есть находящиеся ближе к заряженному телу. Поэтому незаряженное тело притягивается к заряженному.

Теперь становится понятным, почему электрическое отталкивание заметили только через две тысячи лет после того, как обнаружили электрическое притяжение.

Ведь чтобы тела притягивались, достаточно, чтобы заряжено было только одно из них, причем зарядом любого знака. А отталкиваются тела лишь тогда, когда они оба заряжены, причем обязательно одноименно.

Читать еще:  Розетка компьютерная mosaic rj45 кат 5е utp модуль

? 5. В описанном в предыдущем параграфе опыте по визуализации линий напряженности было использовано то, что состоящие из диэлектрика продолговатые тела ориентируются в электрическом поле вдоль линий напряженности. Объясните, почему это происходит.

Диэлектрическая проницаемость

Величину, которая показывает, во сколько раз уменьшатся напряженность внешнего электрического поля внутри однородного диэлектрика, называют его диэлектрической проницаемостью и обозначают ε.

Значения диэлектрической проницаемости для разных веществ могут очень сильно различаться.

Например, для воздуха ε = 1,0006, то есть очень мало отличается от единицы. Очень близка к единице и диэлектрическая проницаемость других газов. Обусловлено это главным образом малой концентрацией молекул в газах.

Значение диэлектрической проницаемости большинства жидкостей и твердых тел – от нескольких единиц до нескольких десятков. Сравнительно велика диэлектрическая проницаемость воды: ε = 81.

Но есть вещества (сегнетоэлектрики), у которых диэлектрическая проницаемость достигает десятков и сотен тысяч.

? 6. Металлическому шару радиусом 10 см сообщили положительный заряд 20 нКл и после этого поместили в большой сосуд с водой.
а) Сделайте в тетради схематический рисунок, на котором изобразите заряд шара и связанные заряды, возникшие вследствие поляризации воды.
б) Чему будет равна напряженность электрического поля на расстоянии от центра шара, равном 5 см? 15 см? 25 см?

Уменьшение силы взаимодействия заряженных тел, погруженных в диэлектрик. Поскольку взаимодействие заряженных тел осуществляется посредством электрического поля, а поле в диэлектрике уменьшается в ε раз, то в ε раз уменьшается и сила взаимодействия заряженных тел, полностью погруженных в однородный диэлектрик. Например, для очечных зарядов, находящихся в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε, закон Кулона принимает вид

? 7. Чему равна диэлектрическая проницаемость жидкости, если погруженные в нее небольшие шарики с зарядом 30 нКл каждый взаимодействуют с силой 7,8 мкН? Расстояние между шариками равно 20 см.

Увеличение силы взаимодействия заряженных тел, между которыми помещен диэлектрик. Если расположить диэлектрик между заряженными телами, то силы, действующие на каждое заряженное тело, увеличатся.

? 8. Объясните, почему это происходит.
Подсказка. Воспользуйтесь рисунком 52.9.

Дополнительные вопросы и задания

9. Два одинаковых заряженных шарика подвешены на нитях равной длины в одной точке, При этом нити отклонены от вертикали на некоторый угол. Когда всю эту систему погрузили в жидкий диэлектрик, угол отклонения нитей не изменился.
а) Изобразите на чертеже все силы, действующие на один из шариков до погружения в диэлектрик и после этого.
б) Во сколько раз плотность шариков больше плотности диэлектрика, если его диэлектрическая проницаемость равна 3?

10. Как изменится сила взаимодействия двух заряженных тел, если поместить между ними незаряженный проводник, который не касается этих тел?

10 электрических проводников

Лучший Электрический проводник, в условиях обычной температуры и давления, представляет собой металлический элемент серебра. Тем не менее, это не всегда идеальный выбор в качестве материала из-за его стоимости и потускнения. Оксидный слой, известный как тусклый, не является проводящим. Точно так же ржавчина, зелень и другие оксидные слои снижают проводимость.

  1. Серебряный
  2. золото
  3. медь
  4. алюминий
  5. Меркурий
  6. сталь
  7. железо
  8. морская вода
  9. бетон
  10. Меркурий
  • платина
  • латунь
  • бронза
  • графит
  • грязная вода
  • лимонный сок

Физические свойства

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ 108 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10−5—108 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические высокочастотные свойства сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.

Удельное сопротивление деионизированной воды (см. также: бидистиллят) — 10-20 МОм·см.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector