Проводники и диэлектрики

 

 

Свободное движение.

 К проводникам относятся все металлы. У них внешние электроны связаны с ядром очень слабо и почти каждый атом превратился в положительный ион, выпустил в межатомное пространство один или даже несколько электронов. В металлах так много свободных электронов, что по отношению к ним применяют выражение «электронный газ» или «электронная пыль». Наэлектризованные палочки с которыми мы экспериментировали в предыдущей главе - готовый простейший генератор, который мог бы двигать свободные электрические заряды, заставляя их работать (вы уже, очевидно, обратили внимание — зарядами мы для краткости называем свободные электроны и ионы, наши микроскопические наэлектризованные детали). Стоит только соединить эти палочки проводником, как в нем сразу же появится электрический поток (принято говорить ток, очевидно, тоже для краткости) — начнется упорядоченное движение свободных зарядов с одной палочки на другую. Проводник в этой системе играет роль нагрузки: проходя по нему, заряды работают, выделяют, вырабатывают какое-то количество тепла. В случае равновесия зарядов не только напряженность поля внутри проводника равна нулю, равен нулю и заряд. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. В самом деле, если бы внутри проводника имелся заряд, то вблизи заряда имелось бы и поле. Но электростатического поля внутри проводника нет. Следовательно, заряды в проводнике могут располагаться только на его поверхности.

 

Хороший проводник (твердое тело) получается из металлов. Очень много свободных электронов, иончики неподвижны.

 

Положительные иончики

  Электрончики

 

Проводниками могут быть жидкости и газы. В данном случае нужно понимать так: количество свободных зарядов в жидкости (или в газе) зависит от того, какие вещества в ней растворены, какие химические процессы происходят. Например, дистиллированная вода — это изолятор, свободных зарядов в ней очень мало. Но стоит бросить в воду щепотку соли, как она становится проводником — соль растворяется, образует в воде большое количество свободных положительных и отрицательных ионов.

 

Жидкости и газы. Бегают и электрончики и иончики.

 

Для каждого проводника - твердого, жидкого и газообразного, существует определенная зависимость силы тока от приложеной разности потенциалов. Эту зависимость выражает так называемая вольт-амперная характеристика проводника. Ее находят, измеряя силу тока в проводнике при различных значениях напряжения. Из металлов лучший проводник — серебро, за ним следует медь, золото, алюминий, цинк, железо. На практике чаще всего используют медные проводники. Между положительными ионами находятся в хаотическом движении свободные электроны. Это хаотическое движение называется еще термическим колебанием и оно тем интенсивнее, чем выше температура металла. Число свободных электронов в одном кубическом сантиметре металла огромно около

 

100000000000000000000000

 

Можно отметить, что это число больше, чем число песчинок, содержащихся в 100 вагонах с песком.

Деление всех окружающих нас материалов на проводники и изоляторы возникло впервые 300 лет назад. Испытатели того времени исследовали электризацию трением и установили, что... «янтарь, шелк, волосы, смолы, стекло, драгоценные камни, сера, каучук, фарфор не проводят электричества, а металлы, уголь, живые ткани растений, наоборот, электричество передают». Но как всякая классификация, так и это деление всех материалов на изоляторы и проводники электричества относительно и не всегда справедливо. Изолятор, или диэлектрик, состоит из нейтральных в целом атомов или молекул. Электрические заряды (точнее, электрически заряженные частицы: электроны и ядра) в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут, подобно свободным зарядам проводника, перемещаться под действием поля по всему объему вещества. Различие в строении проводников и диэлектриков приводит к тому, что они по-разному ведут себя в электростатическом поле. Атомы и молекулы состоят из положительно заряженных частиц  (ядер) и отрицательно заряженных частиц (электронов).

 

 

Элетрончик

 Ядро

 

Положительный заряд атома, заряд его ядра, сосредоточен в центре атома. Электрон движется в атоме с большой скоростью. Один оборот вокруг ядра он делает за очень малое время, порядка 10 ^-15 с. Поэтому, например, уже за 10^-9 с он успевает совершить миллион оборотов и, следовательно, миллион раз побывать в двух любых точках 1и 2, расположенных симметрично относительно ядра.

Это дает основание считать, что в среднем по времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т. е. совпадает с положительно заряженным ядром.

Электропроводимость

Еще задолго до открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано, в отличие от тока в жидких электролитах, с переносом вещества металла. Опыт состоял в том, что через контакт двух различных металлов, например золота и серебра, в течение времени, исчисляемого многими месяцами, пропускался постоянный электрический ток.

 

Мандельштам Леонид Исаакович
(1879—1944)
Один из крупнейших советских физиков,
внес большой вклад в развитие теории
колебаний, радиофизики и  оптики.

 

После этого исследовался материал вблизи контактов. Было показано, что никакого переноса вещества через границу различных металлов не наблюдается и вещество по различные стороны границы раздела имеет тот же состав, что и до пропускания тока. Эти опыты доказали, что атомы и молекулы металлов не принимают участия в переносе электрического тока, но они не ответили на вопрос о природе носителей заряда в металлах. В 1913 г  Мандельштам Л.И. выдвинул идею опытов по проводимости металлов. Экспериментальное доказательство в 1916г  было получено Стюартом и Толменом.

 

Факт:

Средняя скорость упорядоченного движения электронов пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике. Сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника

 

В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес открыл замечательное явление — сверхпроводимость. Он обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,1 К очень резко падает до нуля. Если бы удалось создать сверхпроводящие материалы при температурах, близких к комнатным, то была бы решена важнейшая техническая проблема - передача энергии по проводам без потерь.

Объяснение сверхпроводимости возможно только на основе квантовой теории.

 

Проводники с малым удельным сопротивлением

Проводники с большим удельным сопротивлением

 

Молекулу любого вещества можно представить как совокупность (систему) двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии l друг от друга.

 

Такая система называется  электрический диполь

 

Диэлектрик - нейтральная система (диполь), которая под действием электрического поля перемещает заряды на очень маленькие расстояния. Свободных зарядов почти нет.

 

Свободные заряды в диэлектрике.

 

Смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны называют поляризацией

 

Виды диэлектриков.

 

Диэлектрики можно разбить на два вида

Полярные -состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают (спирты, вода).

Неполярные -состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, бензол, полиэтилен).

Для характеристики электрических свойств диэлектриков вводится особая величина, называемая диэлектрической проницаемостью. Обозначается греческой буковкой

 

Диэлектрическая проницаемость среды — это физическая величина, показывающая, во сколько раз напряженность электрического поля внутри однородного диэлектрика меньше напряженности поля в вакууме.

Данное утверждение легко записывается в виде формулы

напряженность поля в вакууме.

 напряженность электрического поля внутри однородного диэлектрика

Сила взаимодействия зарядов в диэлектрике также убывает в раз за счет уменьшения напряженности поля.

Таким образом, силы взаимодействия между заряженными телами в отличие от сил всемирного тяготения зависят от свойств среды, в которой они находятся. Для различных диэлектриков эта величина разная. К примеру: для

стекладля воздуха

Существует, однако, особая группа веществ, называемых сегнетоэлектриками, у которых поляризация чрезвычайно сильна и составляет

Диэлектрики используемые при работе с электричеством