Какие вещества не проводят электрический ток

Электролиты

Электролиты — в химии это вещества, растворы или расплавы, которые при растворении проводят электрический ток и выделяют ионы.

Эти растворы проводят электричество из-за подвижности:

• положительно заряженных ионов (называются катионами)
• и отрицательно заряженных ионов (называются анионами).

В питании это минералы, которые содержатся в крови, поте и моче. Когда минералы растворяются в жидкости, они образуют электролиты, т.е. положительные или отрицательные ионы, которые используются в метаболических процессах организма.

Метаболизм — процесс поддержания жизни организма, при котором калории от потребляемой пищи превращаются в энергию

Общие сведения

Любой объект, который существует в природе, как живой, так и неживой, называют физическим телом. Состоит оно из вещества, которое образовывается из элементарных частиц, обладающих физическими и химическими свойствами. Определяются они количеством молекул, которые формируются с помощью связанных между собой атомов. В свою очередь, они состоят из элементарных частиц — нейтронов и протонов. Вокруг них на определённом расстоянии по орбитали вращаются электроны. Они являются носителями единичного электрического заряда.

Учёные условно приняли, что электроны обладают отрицательным зарядом, а протоны — положительным. При этом в любой оболочке, ядре, количество минусовых и плюсовых частиц одинаковое. Поэтому атом является электрически нейтральным. Для того чтобы это состояние изменилось необходимо к телу приложить внешнее воздействие. В результате атом может потерять или, наоборот, присоединить несколько электронов, то есть превратиться в ион. Такое явление характерно для жидкостей, вступающих в различные реакции.

Несвязанные с атомами электроны называют свободными. Любая отрицательная частица, получившая энергию извне, может разорвать связь и вырваться за пределы ядра. Например, при поглощении фотона света или радиоактивном распаде. Число свободных электронов в различных материалах отличается. Вот именно по их количеству и было решено учёным советом разделять все вещества на два больших класса:

• проводники;
• диэлектрики.

Как пример в качестве хорошего проводника можно привести — медь, а непроводника — стекло. Это разделение позволило показать, какие тела могут участвовать в возникновении электрического тока, а какие нет. Количественной характеристикой явления является электропроводность — способность физического вещества проводить ток. Ведь последний образовывается при упорядоченном движении свободных носителей зарядов. Чем их больше в объекте, тем сильнее возникает сила переноса.

Следует отметить, что, если на тело не действует внешняя сила, перемещение несвязанных электронов происходит хаотично. При этом частицы сталкиваются с атомами, дефектами кристаллической решётки, отдают и получают энергию. Но ток не появляется, так как энергия системы находится в равновесном состоянии.

Первый и второй род

После того как получилось разобраться с тем, что проводит электрический ток, нужно узнать особенности некоторых веществ. Проводники могут быть разными — металлическая проволока, морская вода. Но в них ток различается, поэтому вещества делят на две группы:

• первого рода, в которых электричество протекает по электронам;
• второй вид — на основе ионов.

К первым относят все металлы и углерод. Ко второму роду относят щелочи, кислоты, соляные расплавы — электролиты. В них ток представляет упорядоченное движение отрицательных и положительных ионов. Электричество в таких материалах протекает при любом показателе напряжения. В обычных условиях хороший проводник электрического тока — это изделие из золота, серебра, алюминия или меди.

Их двух последних материалов изготавливают кабели, отличающиеся низкой стоимостью. Качественное жидкое вещество, проводящее ток — ртуть, а также ток хорошо протекает через углерод. Но это вещество не обладает гибкостью, поэтому на практике его не применяют. Хотя физики недавно смогли представить углерод в форме графена, что позволило из его нитей изготавливать шнуры.

У графеновых изделий сопротивление такое, что оно является недопустимым для проводников. Их позволительно использовать только в нагревателях. В этом случае металлические провода из никеля и хрома проигрывают, так как они не могут выдержать очень высокую температуру. Спирали в лампах дневного света изготавливают из вольфрама. Этот материал способен накаливаться, так как вещество является тугоплавким.

Исследование диэлектриков

Вещества, которые не обладают электропроводностью, называются диэлектриками или непроводниками электрического тока. Молекулы такого тела нейтральные, в них количество положительных и отрицательных зарядов одинаковое. Но, несмотря на это частицы тела всё равно обладают электрическими свойствами. В общем виде связанные атомы можно рассматривать как диполь, обладающий моментом: P = q * l, где q — общий заряд всех частиц в диэлектрике, l — расстояние между центрами частиц.

При повороте диполей происходит деформирование связей, создаются индуцированные моменты. Если к непроводнику не приложено внешнее поле, то из-за беспорядочного движения они ориентированы хаотично. Поэтому их сумма равна нулю. Если же диэлектрик внести в электромагнитное поле, то возникнет поляризация. В любом элементарном объёме будет существовать дипольный момент отличный от нуля.

Существует несколько видов поляризации, вот основные из них:

1. Ориентационная. Приложенное поле стремится развернуть диполи вдоль своего направления. Этому мешает тепловое движение. В результате возникает преимущественная ориентация по направлению линий электромагнитной индукции. Она зависит от значения электродвижущей силы и температуры.
2. Электронная. Другое её название — деформационная. При этом типе возникают индуцированные диполи. Тепловые колебания не оказывают влияние на поляризацию. Этот вид характерен для поликристаллической керамики, перовскита CaTiO3.
3. Ионная. Может существовать только в плотных диэлектриках, структура которых обусловлена кристаллической решёткой. При этом происходит разделение положительных и отрицательных ионов по примеру проводников. Причём первые смещаются вдоль направления электрического поля.

Таким образом, любой материал, по сути, может проводить электрический ток. Но в диэлектриках его сила настолько мала, что им пренебрегают. При этом для его появления нужно приложить напряжение большой силы.

Электрические свойства диэлектрического материала характеризуются диэлектрической проницаемостью среды. Её физический смысл заключается в показывании во сколько раз электростатическое поле внутри непроводника меньше, чем в вакууме: E = E0 / Eв. Например, для полиэтилена E = 2,3; стекла — 10; воды — 81; воздуха — 1,00057. Что интересно, диэлектрическая проницаемость может обладать дисперсией.

Электролиты и неэлектролиты

Все электролиты при растворении в воде дают ионы и проводят электрический ток. К электролитам относятся:

• кислоты,
• основания,
• соли (почти все).

Неэлектролиты — это вещества, растворы или расплавы которых не проводят электрический ток. К неэлектролитам относятся:

• многие органические вещества (сахара, спирты, углеводы, углеводороды, бензол, альдегиды, простые и сложные эфиры, и пр.)
• вещества, в молекулах которых существуют ковалентные неполярные или малополярные связи.

Опыт с электроскопом

Простейшим прибором для обнаружения электрического заряда является электроскоп. Своё название устройство получило от греческого слова skopeo — наблюдать. Первый прибор был создан физиком Уильямом Гильбертом в 1600 году. Его принцип действия основан на способности разноимённых зарядов притягиваться, а одноимённых — отталкиваться. Простейший электроскоп состоит из металлического стержня, на конце которого закреплён проводящий электричество шар. С обратной стороны через скобу прикреплены два лепестка из тонкой бумаги. Стержень установлен в прозрачный сосуд.

Для проведения опыта понадобится выполнить следующее:

1. Диэлектрик, например, эбонитовую палочку, поднести к шару на расстояние 3−5 миллиметров от его поверхности. При этом можно будет наблюдать, как лепесточки разойдутся на определённый угол. Произойдёт это из-за того, что возникнет электрическое поле, которое разъединит по знакам носители заряда. В результате на лепестки перейдут одноимённые частицы, что и заставит их отталкиваться друг от друга. Если палочку отвести произойдёт выравнивание, заряды равномерно распределятся, и устройство придёт в первоначальное состояние.
2. Этот опыт можно повторить с другим диэлектриком, например, стеклянной палочкой. Если её поднести к шару, то на нём будут собираться электроны, а на лепестках соберётся положительный заряд. Как только палочка будет убрана, разделение зарядов пропадёт.
3. Теперь диэлектриком можно коснуться шара. Лепестки разойдутся на определённый угол. После того как непроводник будет убран, заряд на шаре останется. Разрядить устройство, возможно, просто коснувшись шара рукой.

Эти эксперименты показывают, что любой материал обладает электрическим зарядом. Но несмотря на это диэлектрик является изолятором, то есть не пропускает через свою структуру электрический ток. В то же время если он начинает проходить, то в этом случае говорят о пробое. Зависит параметр от величины напряжения и толщины электроизоляционного материала.

Существует разновидность электроскопа — электрометр. В нём вместо лепестков используется стрелка и проградуированная шкала. Поэтому с его помощью можно не только обнаружить заряд, но и определить его количественное значение.

Примеры непроводников

Из определения диэлектрика следует, что это тело, которое препятствует прохождению через себя электроэнергии. Даже с греческого dia electric переводится как «материал, плохо проводящий ток». Вот почему его можно просто назвать изолятором. Из наиболее ярких представителей непроводников можно перечислить следующие:

• эбонит;
• стекло;
• пластмассы;
• неупорядоченные полимеры;
• янтарь;
• керамика;
• резина;
• капрон;
• шёлк;
• ситаллы;
• смола;
• воздух;
• дерево.

Существуют и так называемые экзотические диэлектрики. Они обладают свойствами, делающими их использование нетривиальным. Например, электреты. Это непроводники, у которых поляризация существует и при отсутствии внешнего поля. По сути, они аналоги постоянного магнита. Если проводник при электромагнитном воздействии намагничивается, то обычный диэлектрик поляризуется. Электрет же находится в таком состоянии постоянно. А это значит, что вещество вокруг себя создаёт электрическое поле. Это свойство используют в микрофонах, генераторах, электрометрах.

Ещё одним видом интересного непроводника является сегнетоэлектрик. Это диэлектрик, у которого диэлектрическая проницаемость аномально высокая: E > 103. Правда, этот параметр у такого типа веществ сильно зависит от напряжённости поляризующего поля и температуры. Его граничное значение, при котором пропадают свойства сегнетоэлектриков, называют температурой Кюри. К ярким представителям этого класса можно отнести: сегнетовую соль (KnaC4H4O6 * 4H2O), титанат бария (BaTiO3).

В природе бывают также и диэлектрики, у которых поляризация появляется без всякого воздействия внешнего механического поля при механической деформации.

К ним относится: сегнетовая соль, титанат бария, кварц. Если по кристаллу таких диэлектриков просто ударить, то на гранях вещества появятся электрические заряды. В результате можно будет даже получить искру. Это свойство используется в устройствах автоматического поджига, например, газовых горелках, зажигалках.

Стоит отметить и изоляторы Мота. Это вещества с кристаллической решёткой, которые вопреки теории физики проводников являются изоляторами. Эффект возможен из-за того, что сила межэлектродного взаимодействия намного больше энергии зарядов. Такими свойствами обладают многие редкоземельные металлы, например купрат.

Вещества проводящие электрический ток список

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.

Способность различных веществ проводить электрический ток

Если не принимать во внимание физическое состояние, то все материалы можно условно разделить на три группы по степени проводимости электричества:

Рассмотрим каждый случай более подробно.

Проводники

К этой группе можно отнести вещества, которые проводят электрический ток великолепно. Это – металлы, электролиты и ионизированные газы.

Металлы как проводники электрического тока

Первая подгруппа веществ имеет кристаллическую решетку и отличается большим наличием свободных электронов, которые и являются носителями заряда при создании соответствующих условий, в частности электрического поля. Их расплавы проводят электрический ток не хуже, чем в твердой фазе. Не стоит забывать, что металлы могут быть и в жидком состоянии, примером чего является ртуть. Но наибольшее распространение, в качестве проводников, получили твердые фазы этих веществ. При взаимодействии с кислородом металл образуют оксиды, которые проводят электрический ток только при определенных условиях и по своей сути являются полупроводниками. Речь о них пойдет ниже. Из металлов отличной электропроводностью обладают медь, алюминий, железо, серебро и др.

Жидкие проводники электрического тока

Под жидкими проводниками понимают кислоты, растворы, электролиты, которые проводят электрический ток. Носителем заряда в данных случаях являются ионы. Необходимо отметить, распространенное убеждение что вода является проводником, в корне неверно. Когда Н₂О находиться в чистом состоянии, свободные ионы в ней отсутствуют. Если при помещении в воду электродов наблюдается протекание электрического тока, то это говорит только о том, что в данном случае мы имеем дело с раствором какого-либо вещества.

Полупроводники

Это особая группа веществ, которая проводит электрический ток при создании определенных условий. В кристаллической решетке полупроводников наблюдается крайне ограниченное наличие свободных носителей зарядов. Но при создании соответствующих условий, например, при воздействии света, понижении или повышении температуры, или каких-либо специфических факторов количество освобожденных носителей возрастает.

Вещества, которые проводят электрический ток и относятся к группе полупроводников обладают одной особенностью – под воздействием внешних факторов связанные электроны покидают свое место, и образуют т.н. «дырку». Она имеет положительный заряд. При создании электрического поля электроны и «дырки» двигаются навстречу друг другу, образуя электрический ток. Такая особенность называется электронно-дырочной проводимостью. Наиболее распространенными полупроводниками считаются кремний, германий, селен, галлий, теллур и т.д.

Диэлектрики

В диэлектриках свободные носители заряда отсутствуют. Протекание электрического тока в таких веществах невозможно при стандартных внешних условиях. Наиболее популярными материалами, которые не проводят электрический ток является слюда, керамика, резина и каучуки.

Также к ним можно отнести воздух и определенные виды газов, но для них, определяющим будет являться степень загрязнения. При наличии достаточного количества свободных ионов, диэлектрические свойства они утрачивают. Таким образом нельзя слепо полагаться что какое-либо вещество является абсолютным диэлектриком и не проводит электричество. При определенных обстоятельства большая часть веществ, заведомо считающихся диэлектриками могут приобретать свойства полупроводников.

Так, например, оксид железа, который в обычных условиях препятствует протеканию электрического тока, при повышении давления и температуры переходит в состояние проводимости, при этом внутренняя его структура не нарушается.

Подводя итоги, отметим что качественное различие веществ, пропускающих или препятствующих протеканию электрического тока является их проводящее состояние. Для металлов оно является постоянным, а для диэлектриков и полупроводников возбужденной фазой. Количественное определение проводимости выражается через удельное электрическое сопротивление.

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:

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, гр афен, индий и т.д.

Диэлектрики

Ну и последняя группа материалов, это диэлектрики, 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.

Ответ или решение 2

Вещества по способности проводить электрический ток делятся на 3 группы:

Проводники — вещества, которые хорошо проводят электрический ток.

К ним относятся металлы, растворы солей, кислот, щелочей в воде. Для них характерно наличие свободных заряженных частичек (электронов, ионов), которые под действием электрического поля двигаются.

Полупроводники — вещества, в которых электрическая проводимость зависит от внешних условий. Количество свободных заряженных частиц в них зависит от определенных условий: температуры, освещенности, наличия примесей.

К ним относятся кремний, индий, германий.

Диэлектрики — вещества, которые ни при каких условиях не проводят электрический ток. В них очень маленькая концентрация свободных носителей заряда.

Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц.

Для появления электрического тока необходимо 2 условия:

• наличие заряженных частиц;
• заряженные частицы должны двигаться в одном направлении.

В зависимости от наличия свободных заряженных частиц все вещества разделяются на 3 вида:

Проводники

Это вещества, в которых большая концентрация свободных носителей заряда. К ним относятся металлы, электролиты и ионизированный газ.

В металлах свободными носителями заряда являются свободные электроны, в электролитах и ионизированном газе ионы. Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные ионы анионы.

Под действием электрического поля электроны в металлах, ионы в электролитах и газе начинают упорядоченно двигаться, образовывая электрический ток. К электролитам относят водные растворы солей и кислот.

У металлов проводимость электронная, в электролитах и ионизированном газе ионная.

Полупроводники

Вещества, концентрация свободных носителей электрического заряда зависит от внешних условий (температуры, освещенности и т.д.).

При повышении температуры (освещенности) у вещества, вследствие теплового движения, некоторые электроны становятся свободными, а их место становится вакантным. Место, которое покинул электрон, называется "дырка", она имеет положительный электрический заряд.

При наличии электрического поля "дырки" и электроны двигаются в противоположенных направлениях, образовывают направленное движения электрических зарядов, то есть электрический ток. У полупроводников электронно-дырочная проводимость электрического тока, которая зависит от внешних факторов.

К полупроводникам относят: германий, кремний, селен.

Диэлектрики

Вещества, в которых свободные носители заряда отсутствуют. Диэлектрики не проводят электрический ток, ни при каких условиях, их еще называют изоляторами. К ним относятся слюда, керамика, стекло, резина.

Диэлектрики: определения, формулы, примеры

Диэлектриками называют вещества, не обладающие способностью проводить электрический ток.

Стоит отметить, что данное определение лишь приблизительно выражает физический смысл приведенного понятия.

Абсолютных изоляторов, то есть веществ, которые совсем не проводят ток, в природе не существует. Диэлектрики по сравнению с проводниками в 1015 − 1020 раз хуже проводят ток. Данный факт основывается на том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.

Что такое диэлектрики и их примеры

Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то, как диэлектрик, так и само поле значительно изменятся. В диэлектриках, в которых до контакта с полем не было заряда, возникают электрические заряды. Это явление объясняется процессом поляризации вещества, другими словами, в поле диэлектрик обретает электрические полюсы. Возникающие при этом заряды называются поляризационными.

Разделить такие заряды невозможно, чем они существенно отличаются от индукционных зарядов в проводниках. Данное отличие основывается на том факте, что в металлах присутствуют электроны, имеющие возможность перемещаться на относительно большие расстояния. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой, и их перемещение ограничено пределами одной молекулы, что является крайне малым расстоянием.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из закрепленных в положении равновесия, к примеру, в узлах кристаллической решетки заряженных ионов. Ионные кристаллические решетки могут быть разбиты на, в целом, нейтральные «элементарные ячейки».

Действие электрического поля на заряды, принадлежащие диэлектрику, провоцирует лишь легкое смещение относительно изначального положения, тогда как заряды проводников, испытывающие такое же влияние, срываются с места. В условиях отсутствующего электрического поля диэлектрик может быть условно представлен в виде совокупности молекул, в каждой из которых положительные и отрицательные заряды равные по величине распределены по всему объему вещества.

В процессе поляризации заряды каждой отдельной молекулы диэлектрика смещаются в противоположные ее стороны. Соответственно, одна часть молекулы становиться положительно заряженной, а другой — отрицательно, что, в общем, дает возможность заявить: молекула превращается в электрический диполь.

Равнодействующая электрических сил, в однородном поле оказывающих влияние на нейтральную молекулу диэлектрика, эквивалентна нулю. Этот факт основывается на том, что центр тяжести молекулы не передвигается ни в одну из сторон. Молекула просто претерпевает деформирование.

Существуют такие диэлектрики, в которых в условиях отсутствующего электрического поля молекулы имеют дипольный момент (полярные молекулы).

В случае, когда поле отсутствует, такие молекулы, принимающие непосредственное участие в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. Если же диэлектрик находится в поле, молекулы, в основном, ориентируются по его направлению. Соответственно, диэлектрик проходит процесс поляризации.

У симметричных молекул, таких как, к примеру, O 2 , N 2 , в отсутствие поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов одинаковы. По этой причине собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы). У несимметричных же молекул (возьмем в качестве примера H 2 O , C O ) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и носят название полярных.

Также существуют диэлектрические или же ионные кристаллы, которые формируются при помощи ионов с противоположным знаком. Такой кристалл состоит из пары “вдвинутых” друг в друга кристаллических решеток, одна из которых является положительной, а вторая — отрицательной. В целом кристалл условно можно принять за подобие гигантской молекулы. Процесс наложения электрического поля провоцирует сдвиг одной решеток относительно друг друга, вследствие чего и происходит поляризация ионных кристаллов. Существует также тип поляризованных без участия поля кристаллов. При дальнейшем исследовании поведения диэлектриков в электрических полях механизм возникновения поляризации значения иметь не будет. Существенным фактом является только то, что поляризация диэлектрика происходит через появление некомпенсированных макроскопических зарядов. Значения объемной плотность зарядов ( ρ ) и поверхностной плотности ( σ ) неполяризованного диэлектрика равняются нулю. После же процесса поляризации σ ≠ 0 , а в некоторых случаях и ρ ≠ 0 . Поляризация приводит к появлению в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов с одним знаком. В том случае, если ортогональная или же перпендикулярная часть напряженности поля E n → ≠ 0 на приведенном участке, то в результате влияния поля заряды с одним знаком уходят внутрь, а с другим, наоборот, выходят наружу.

Вектор поляризации диэлектрика

Поляризованность P → или, другими словами, вектор поляризованности характеризует степень поляризации диэлектрика:

где ∆ ρ представляет собой дипольный момент элемента диэлектрика.

В условиях неполярных молекул вектор поляризованности может быть определен в следующем виде:

P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N ρ 0 → ,

где сложение идет относительно всех молекул в объеме △ V . N — концентрация молекул,
ρ 0 → является индуцированным дипольным моментом (Он один и тот же у всех молекул). ρ 0 → ↑ ↑ E → .

Формула поляризованности в условиях полярных молекул принимает вид следующего выражения:

P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N p → ,

в котором P → представляет собой среднее значение дипольных моментов, которые равнозначны по модулю, но обладают разными направлениями.

В изотропных диэлектриках средние дипольные моменты по направлению идентичны напряженности внешнего электрического поля. У диэлектриков с молекулами полярного типа, вклад в поляризованность от наведенных зарядов значительно ниже вклада от переориентации поля.

Ионная решеточная поляризации может быть описана следующей формулой: P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N p → .

В большей части случаев подобная поляризация является анизотропной.

Если представить плоский конденсатор, который заполнен диэлектриком так, как это проиллюстрировано на рисунке 1 , то на принадлежащей ему левой обкладке расположен положительный заряд, а на правой — отрицательный. По причине того факта, что разноименные заряды притягиваются друг к другу, у положительной обкладки на поверхности диэлектрика появится отрицательный заряд, а у правой, то есть отрицательной – положительный заряд диэлектрика. Выходит, что поле, формирующееся поляризационными зарядами, имеет противоположное направлению поля направление, которое создают обкладки, соответственно, диэлектрик ослабляет поле.

+ q , − q представляют собой заряды на обкладках конденсатора.

E → является напряженностью поля, которое формируется обкладками конденсатора.

− q ′ , + q ′ — это заряды диэлектрика.

E → ‘ — напряженность поля, которое создается как результат поляризации диэлектрика.

Явление влияния вещества на магнитное и электрическое поля было эмпирическим путем открыто Фарадеем. Именно этим ученым было в науку были введены такие термины, как диэлектрик и диэлектрическая постоянная.

В случае если однородный изотропный диэлектрик полностью заполняет собой объем, ограниченный эквипотенциальными поверхностями поля сторонних зарядов, то напряженность поля внутри него в ε раз меньше напряженности поля сторонних зарядов.

где ε определяет диэлектрическую проницаемость среды.

Напряженность поля точечного заряда, который расположен в диэлектрике с некоторой диэлектрической проницаемостью ε, может быть выражена в виде следующего выражения:

E → = 1 4 π ε ε 0 q r 3 r → .

Закон Кулона для зарядов, находящихся в жидком и газообразном диэлектрике принимает такой вид:

F → = 1 4 π ε ε 0 q 1 q 2 r 3 r → .

Задание: Бесконечную плоскую пластину из однородного изотропного диэлектрика разместили в однородном электростатическом поле с напряженностью E = 200 В м , направленной под прямым углом силовым линиям поля. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика равняется 2 . Какова напряженность поля внутри диэлектрика?

Решение

Поле в вакууме в ε раз сильнее, чем поле в диэлектрике, по этой причине запишем, что:

Произведем некоторые расчеты:

E → ‘ = 200 2 = 100 В м .

Ответ: Напряженность поля в пластине будет 100 В м .

Задание: Заряженные шарики обладают массой m 1 = m 2 = m . Они подвешены на нитях, имеющих одинаковые значения длины, в одной точке, их заряды эквивалентны q 1 и q 2 ( смотри рисунок 1 ). Изначально они располагаются в воздухе (диэлектрическая проницаемость ε 1 ), после этого погружаются в жидкость ε 2 . Каково отношение диэлектрических проницаемостей ε 2 ε 1 , если при погружении в жидкость системы из шариков угол расхождения нитей не претерпел изменений? Отношение плотности шариков к плотности диэлектрика ρ s h ρ d = b .

Решение

Запишем условие равновесия шарика в симметричной системе в воздухе:

F e 1 → + m g → + N 1 → = 0 .

Теперь выразим условие равновесия одного шарика в жидкости:

F e 2 → + m g → + N 2 → + F A → = 0 .

Запишем проекции уравнения F e 1 → + m g → + N 1 → = 0 на оси:

О х : F e 1 — N 1 sin a 2 = 0 ,

O y : m g — N 1 cos α 2 = 0 .

Проекции уравнения F e 2 → + m g → + N 2 → + F A → = 0 на оси:

О х : F e 2 — N 2 sin α 2 = 0 ,

O y : m g — N 2 cos α 2 — F A = 0 .

Берем отношение уравнения F e 1 — N 1 sin a 2 = 0 и m g — N 1 cos a 2 = 0 , в качестве результата получаем:

t g a 2 = F e 1 m g .

Уравнение F e 2 — N 2 sin a 2 = 0 на уравнение m g — N 2 cos a 2 — F A = 0 , получаем:

t g a 2 = F e 2 m g — F A → F e 1 m g = F e 2 m g — F A .

Основываясь на законе Кулона, запишем такое выражения для F e 1 , F e 2 :

F e 1 = q 1 q 2 4 π ε 1 ε 0 r 2 и F e 2 = q 1 q 2 4 π ε 2 ε 0 r 2 .

Модуль силы Архимеда равняется следующему выражению:

F A = ρ d V g = ρ d m ρ s h g .

Подставим в уравнение t g a 2 = F e 2 m g — F A → F e 1 m g = F e 2 m g — F A уравнения F e 1 = q 1 q 2 4 π ε 1 ε 0 r 2 и

F e 2 = q 1 q 2 4 π ε 2 ε 0 r 2 , в результате получим:

q 1 q 2 4 πε 1 ε 0 r 2 m g = q 1 q 2 4 πε 2 ε 0 r 2 m g — ρ d m ρ s h g → 1 ε 1 1 = 1 ε 2 1 — ρ d ρ s h → ε 2 ε 1 = 1 1 — ρ d ρ s h = 1 1 — b .

Ответ: Диэлектрическая проницаемость жидкости должна быть ε 2 e 1 = 1 1 — b .

Неэлектролиты и электролиты: характеристика и свойства

Хорошо известно, что одни вещества в растворенном или расплавленном состоянии проводят электрический ток, другие в тех же усло­виях ток не проводят. Это можно наблюдать с помощью простого прибора. Он состоит из угольных стержней (электродов), присоединенных проводами к электриче­ской сети. В цепь включена электрическая лампочка, которая показывает присутствие или отсутствие тока в цепи. Если опустить электроды в раствор саха­ра, то лампочка не загорается. Но она ярко загорится, если их опустить в раст­вор хлорида натрия.

Вещества, распадающиеся на ионы в растворах или расплавах и потому проводящие электрический ток, называются электролитами.

Вещества, которые в тех же условиях на ионы не распадаются и электрический ток не проводят, называются неэлектролитами.

Неэлектролиты

Неэлектролиты находятся в растворе в виде неполярных или малополярных молекул.

К неэлектролитам относятся вещества с ковалентной неполярной (слабополярной) связью. В качестве примера веществ, не диссоциирующих в растворах и расплавах, можно привести простые вещества неметаллов (сера, фосфор, йод и др.), оксиды, органические кислоты (уксусная, молочная, муравьиная, лимонная и т. п.), органические спирты (этиловый спирт, глицерин и т. д.); также неэлектролитами являются такие вещества, как сахароза, ацетон, метан и другие.

Электролиты

Электролиты распадаются в растворе или расплаве на ионы, и именно наличие ионов способствует прохождению электрического тока. Процесс этот — распада на ионы — называют диссоциацией, а теория, описывающая данные процессы — теорией электролитической диссоциации. В растворе распад на ионы происходит по причине разрыва связей вещества, что является результатом взаимодействия с молекулами воды (то есть происходит гидратация электролита).

Ионы (атомы или их группы, обладающие отрицательным или положительным зарядом) под действием электрического тока начинают двигаться по направлению к одному из электродов, что и обуславливает электропроводимость.

Молекула электролита, способная диссоциировать на большее, чем два, количество ионов, будет диссоциировать постадийно. Примером может служить диссоциация многоосновной кислоты.

Подробнее познакомиться с теорией электролитической диссоциацией вы сможете, посмотрев это видео.

Степень диссоциации

Понятие, количественно характеризующее, насколько полно произошёл распад электролита на ионы, называют степенью диссоциации. Этот показатель рассчитывается как отношение количества продиссоциировавших молекул к общему числу молекул вещества в растворе и фактически показывает долю (процент) распавшихся на ионы молекул в общем количестве.

Следующие факторы могут влиять на степень электролитической диссоциации:

Температура

Зависимость от температуры достаточно сложна. Если распад на ионы экзотермический, то повышение температуры степень диссоциации будет уменьшать, а если эндотермический, повышение температуры приведёт к увеличению степени диссоциации. В целом же для каждого электролита есть определённые температурные условия, в которых он в максимальной степени будет распадаться на ионы.

Изменение показателя константы диссоциации (характеризует способность распадаться на ионы) для уксусной кислоты при изменении температуры можно привести в качестве примера:

0 °С	25 °С	50 °С
1,65∙10 -5	1,75∙10 -5	1,62∙10 -5

максимальная ионизация раствора, как видно, наступает при 25 °C, а при температурах выше и ниже этого значения диссоциация происходит в меньшей степени.

Что такое степень диссоциации? Подробный ответ вы найдете в этом видео.

Природа растворителя и электролита

• Растворители с полярными молекулами, хорошей диэлектрической проницаемостью (этот показатель максимален у воды и равен 81, а, например, у этилового спирта — 25) обладают высокой ионизирующей способностью, то есть способны вызывать диссоциацию вещества.
• Вещества с сильно полярными ковалентными и ионными связями являются сильными электролитами.
• При увеличении концентрации степень диссоциации уменьшается и наоборот.

Стадия процесса диссоциации

Если молекула распадается на ионы постадийно, то каждая следующая стадия имеет примерно в 1000−10 000 раз меньший эффект, чем предыдущая.

Экспериментально определить степень диссоциации можно по электропроводности растворов, т. к. она прямо зависит от концентрации движущихся ионов. Истинное значение при этом получить нельзя, такое значение называют кажущимся. Оно меньше истинного, так как при движении к электродам ионы могут сталкиваться, что частично уменьшает их подвижность. При высокой концентрации может возникать притяжение между ионами, обусловленное электростатическими силами, они чаще сталкиваются, теряя свою подвижность, что влияет на показания электропроводности.

Например, в растворе соляной кислоты (1 моль/л) измерения покажут степень распада на ионы равной 0,78 (78%), но фактически раствор не будет содержать 22% недиссоциированных молекул, так как практически все молекулы диссоциированы.

Сильные и слабые проводники

По величине показателя степени диссоциации, выделяют электролиты сильные и слабые. К сильным условно относят вещества, значение степени диссоциации у которых больше 30%, если данный показатель ниже 5%, то к слабым, остальные считаются электролитами средней силы.