Статия за диелектриците

Диелектриците са материали, които не позволяват протичане на ток. Те по-често се наричат изолатори, понеже са точно противоположното на проводниците. Но обикновено хората наричат изолаторите "диелектрици", защото искат да привлекат вниманието към специално свойство, характерно за всички изолатори: поларизуемост.

Когато батерията е свързана с проводник, разликата в потенциала между двата полюса на батерията избутва всички заряди в проводника, което, на свой ред, ги кара бавно да се движат през материала – създавайки ток, който тече през проводника.Това се случва понеже външните електрони в проводника не са привлечени към определени ядра; те могат да се носят свободно през целия материал. При диелектрик зарядите са валентни електрони, които са "заседнали" в атоми на кристал или полимер и не протича никакъв ток. Но електричното поле все пак прилага сила върху зарядите. Докато отделният електрон остава свързан към родителския си атом, той предпочита да се намира от тази страна на атома, която е по-близо до положителния полюс. Можеш да си представиш електроните, искащи да изскочат от родителските си атоми, но вместо това оставащи свързани към тях от електростатичните сили, които свързват валентните електрони с ядрото:

В рисунката "връзката", която свързва електроните с атомите, е нарисувана като пружина. Точно както пружината, силата, която кара електроните да обикалят около ядрото, предоставя възстановителна (еластична) сила, която противодейства на силата, приложена от външното електрично поле от батерията. Докато електричното поле на батерията бута електроните по-надалеч и по-надалеч към едната страна на атома, плавно се увеличава възстановителната сила в противоположната посока, която ги дърпа обратно към ядрото. Крайната позиция на електроните съответства на това кога двете сили (тази от ядрото и тази от батерията) се балансират взаимно.

Понеже външното поле кара електроните във всеки атом да се съберат от едната страна на ядрото, атомите са поляризирани, което означава, че имат положителен полюс и отрицателен полюс, които са ориентирани по посока на електричното поле.

Като имаме предвид казаното, ако достатъчно голямо електрично поле бъде приложено към диелектрик, силите, които искат да избутат електроните, могат да преодолеят силата, която ги свързва с атомните ядра, поради което електроните биват откъснати от "връзките си". Големите електрични полета йонизират атомите на диелектрика. Това означава, че големи електрични полета създават свободни заряди (в този случай, електрони), които могат свободно да се движат през материала и да пренасят ток. Този процес се нарича диелектричен разпад заради диелектричния преход от изолатор към проводник. При повечето кондензатори в практиката диелектричният разпад води до поява на искра и увреждане на кондензатора.

Наличието на диелектрик в процепа на кондензатор с успоредни плочи увеличава общия капацитет. Формулата, която съответства на това поведение, изглежда така:

C${}_{с}$‍ ${}_{диелектрик}$‍ = k C${}_{без}$‍ ${}_{диелектрик}$‍

C${}_{с}$‍ ${}_{диелектрик}$‍ е крайният капацитет (който е определен от размера и формата на кондензатора), а C${}_{без}$‍ ${}_{диелектрик}$‍ е капацитетът без диелектрика. Диелектричната константа k е свойство на използвания конкретен диелектрик; тя показва колко се увеличава капацитетът, когато се използва даден диелектрик. Колкото по-висока е диелектричната константа, толкова по-добре даденият материал функционира като изолатор – например гумата има много висока диелектрична константа и затова често се използва като защитна обвивка около проводници с високо напрежение, тъй като поради високата диелектирчна константа k е много лош проводник.

Сред разпространените диелектрици са дърво (k = 2), пчелен восък (k = 4), стъкло (k = 5) и пластмаса (k = 5). В кондензаторите в потребителските електронни устройства като компютъра ти обикновено се използва пластмаса като диелектрик поради ниската ѝ цена и високата стойност на диелектричната ѝ константа, което позволява кондензаторите да бъдат направени много малки.

Наличието на диелектрик увеличава капацитета, понеже намалява електричното поле в кондензатора с коефициент диелектричната константа. Когато всички атоми на един диелектрик се поляризират, те създават поле, което сочи в противоположна посока на приложеното поле, водейки до по-малко електрично поле:

Наличието на диелектрик между двете плочки намалява електричното поле в кондензатора. Това трябва да ти каже много за начина, по който поставянето на диелектрици в кондензаторите променя свойствата им: кондензаторите съхраняват енергия в електричните си полета и следователно променянето на това електрично поле променя всичко!

Представи си, че зареждаш любимия си кондензатор с успоредни плочи до напрежение от 6V между плочите. Тази разлика от 6V съответства на електрично поле между плочите, което е напрежението, разделено на разстоянието между плочите d. Ако имаш голям кондензатор с разделение между плочите от 1 cm, това е електрично поле от 6 V/cm. Но си представи, че поставиш голямо парче пчелен восък (k = 3) в кондензатора след като е бил напълно зареден и изключен от батерията. Изведнъж зарядите на молекулите в пчелния восък ще се преместят и ще се ориентират по такъв начин, че частично ще неутрализират оригиналното поле. Понеже общото количество поляризация е свързано с диелектричната константа, кондензаторът ти сега има вътрешно поле само 6/2 = 2 V/cm. Тъй като разделението между плочите е същото, това съответства на ново кондензаторно напрежение от само 2V!

Друг начин на разглеждане е да си спомним, че Q = CV, където Q е зарядът на кондензатора, V е разликата в напрежението между двете плочи, а С е капацитетът. За тази постановка Q е фиксиран, понеже кондензаторът не е свързан към източник на захранване, който може да промени относителното количество заряд на двете плочи. Тъй като добавянето на диелектрик променя С с коефициент от 3, напрежението трябва да намалее с коефициент от три, за да запазим Q същото. Сега можеш да заместиш новите стойности на Q, C и V в уравнението за съхранената в кондензатора енергия, E = 1/2 C V${}^2$‍, и да определиш, че енергията, съхранена в кондензатора, също намалява с коефициент от 3.

Ситуацията е много различна, когато оставиш кондензатора свързан с батерията от 6V, докато вкарваш диелектрика. Този път напрежението V е фиксирано на 6V в уравнението Q = CV, така че когато добавиш диелектрика и накараш капацитета да се увеличи с коефициент 3, разликата в зарядите между двете плочи, Q, също се увеличава с коефициент 3. В тази ситуация с помощта на формулата E = 1/2 C V${}^2$‍ установяваме, че енергията, съхранена в кондензатора, се увеличава с коефициент три.

Ако си в опасност от удар от мълния, понякога косъмчетата на главата ти ще се изправят, докато главата ти не заприлича на голяма плюшена топка. Това обикновено е добро предупреждение, че веднага трябва да се укриеш – или да се преместиш от мястото, на което си, или да влезеш в закрито помещение. Оказва се, че причината за този странен ефект е това, че самата ти коса е диелектрик!

Когато се сблъскаш с напрежения от такъв вид като при мълниите, мократа земя под теб е доста добре провеждаща, както и тялото ти. Но косата ти не е провеждаща. Човешката коса е толкова добър изолатор , че всъщност се е използвала като защита в някои от старите електростатични машини. Следователно, ако ще те удари мълния, косата ти действа като диелектрик в кондензатор, при който едната провеждаща плоча са облаците (които имат огромен отрицателен заряд), а другата е мократа земя отдолу (която натрупва голям положителен заряд поради индукцията)!. Следователно с натрупване на заряди в облака в косата ти се натрупва електрично поле. Но за разлика от стъклото или пластмасата в кондензатор с успоредни плочи, косъмчетата на косата ти лесно могат да се движат поотделно и електричното поле ги кара да се издигнат нагоре, към облаците. Точно както отделните електрони в поляризуем диелектрик, зарядите в тях искат да затворят веригата и се издигат към облаците, но не могат да ги стигнат, понеже са свързани към главата ти!

Електричните полета, които създават този ефект, изглеждат ето така:

Когато в крайна сметка падне мълния, тя служи като диелектричен разпад, при който токът може внезапно да протече през въздуха и косата ти, през тялото ти и в земята – така че се увери, че ще избягаш от мястото, преди това да се случи!