Uploaded by Ana Cojuhari

Polarizarea directa

advertisement
Substanțele (corpurile) cu conductibilitate electrică neglijabilă se numesc
dielectrice sau izolatoare.
Dielectricele sau non-conductoarele reprezintă o clasă mare de substanțe
utilizate în inginerie electrică care este importantă în scopuri practice. Ele servesc la
izolarea circuitelor electrice, precum și la informarea dispozitivelor electrice cu
privire la proprietățile speciale care permit utilizarea mai completă a volumului și a
greutății materialelor din care sunt fabricate.
Substanțele din toate stările de agregare pot fi dielectrice: în gaz, lichid și
solid. Ca dielectrică gazoasă, aerul, dioxidul de carbon și hidrogenul sunt utilizate
în practică atât în stările normale cât și în cele comprimate.
Toate aceste gaze au o rezistență aproape infinit de mare. Proprietățile
electrice ale gazelor sunt izotrope. Dintre substanțe lichide, apă pură din punct de
vedere chimic, multe substanțe organice, uleiuri naturale și artificiale (ulei
transformator, sovol, etc.) posedă proprietăți dielectrice.
Dielectricele lichide au și proprietăți izotrope. Calitățile izolatoare ridicate ale
acestor substanțe depind de puritate.De exemplu, proprietățile izolatoare ale uleiului
transformator sunt reduse atunci când umiditatea este absorbită din aer. Cele mai
utilizate în practică sunt dielectricele solide. Acestea includ substanțe de origine
anorganică (porțelan, cuarț, marmură, mica, sticlă etc.) și organice (hârtie,
chihlimbar, cauciuc, diverse substanțe organice artificiale).
Majoritatea acestor substanțe sunt caracterizate de calități electrice și
mecanice ridicate și sunt utilizate pentru izolarea dispozitivelor electrice proiectate
pentru uz interior și exterior.
O serie de substanțe își păstrează proprietățile izolatoare ridicate nu numai la
normal, dar și la temperaturi ridicate (siliciu, cuarț, compuși organosilici).
Dielectricele solide și lichide au o anumită cantitate de electroni liberi, datorită
căreia rezistivitatea unui dielectric bun este de aproximativ 1015 - 1016 ohm x m.
În anumite condiții, în dielectrice, moleculele sunt împărțite în ioni (de
exemplu, sub influența temperaturii ridicate sau într-un câmp puternic), în acest caz,
dielectricele își pierd proprietățile izolatoare și devin conductoare.
Dielectricele au proprietatea de a polariza și câmpul electrostatic poate dura
mult timp în ele.
O caracteristică distinctivă a tuturor dielectricelor este nu numai o mare
rezistență la trecerea curentului electric, determinată de prezența în ele a unui număr
mic de electroni care se mișcă liber pe tot parcursul dielectricului, ci și o schimbare
a proprietăților lor sub influența unui câmp electric, care se numește polarizare.
Polarizarea are un efect mare asupra câmpului electric într-un dielectric.
Unul dintre principalele exemple de utilizare a dielectricelor în practica
electrică este izolarea elementelor dispozitivelor electrice de la sol și una de cealaltă,
astfel încât o descompunere a izolației perturbe funcționarea normală a instalațiilor
electrice, conducând la accidente.
Pentru a evita acest lucru, în proiectarea mașinilor și instalațiilor electrice,
izolarea elementelor individuale este selectată astfel încât, pe de o parte, rezistența
câmpului să nu depășească rezistența lor electrică nicăieri în dielectrice și, pe de altă
parte, astfel încât izolarea să fie utilizată în părți individuale ale dispozitivelor cât
mai mult posibil complet (fără stocuri excedentare).
Pentru a face acest lucru, în primul rând, trebuie să știți cum este distribuit
câmpul electric în dispozitiv. Apoi, selecția materialelor corespunzătoare și
grosimea acestora pot rezolva în mod satisfăcător problema de mai sus
Polarizare dielectrică
Dacă un câmp electric este creat în vid, atunci mărimea și direcția vectorului
de forță a câmpului la un moment dat depind doar de mărimea și locația încărcărilor
care creează câmpul. Dacă câmpul este creat în orice dielectric, atunci în moleculele
acestuia din urmă, au loc procese fizice care afectează câmpul electric.
Sub acțiunea forțelor electrice ale câmpului, electronii în orbite sunt deplasați
în direcția opusă câmpului. Drept urmare, moleculele anterior neutre devin dipoli cu
sarcini egale ale nucleului și electronilor din orbite. Acest fenomen se numește
polarizare dielectrică. Când câmpul dispare, deplasarea dispare și ea. Moleculele
devin din nou neutre din punct de vedere electric.
Molecule polarizate - dipolii își creează propriul câmp electric, a cărui direcție
este opusă direcției câmpului principal (extern), astfel că câmpul suplimentar, atunci
când este adăugat la cel principal, îl slăbește.
Cu cât dielectricul este mai puternic polarizat, cu atât câmpul rezultat este mai
slab, cu atât intensitatea acesteia este mai mică la fiecare punct pentru aceleași
sarcini care creează câmpul principal și, prin urmare, constanta dielectrică a acestui
dielectric este mai mare.
Dacă dielectricul se află într-un câmp electric alternativ, atunci deplasarea
electronilor devine de asemenea variabilă. Acest proces duce la creșterea mișcării
particulelor și, în consecință, la încălzirea dielectricului.
Cu cât câmpul electric se schimbă mai des, cu atât mai mult se încălzește
dielectricul. În practică, acest fenomen este utilizat pentru încălzirea materialelor
umede pentru a le usca sau pentru a obține reacții chimice care apar la temperaturi
ridicate.
Polare și nonpolare
Cu toate că dielectricele practic nu conduc electricitate, cu toate acestea, sub
influența unui câmp electric, își schimbă proprietățile. În funcție de structura
moleculelor și de natura efectului câmpului electric asupra lor, dielectricele sunt
împărțite
în
două
tipuri:
nepolare
și
polare
.
În dielectricele nepolare, dacă nu se află într-un câmp electric, electronii
circulă pe orbitele având un centru care coincide cu centrul nucleului. Prin urmare,
acțiunea acestor electroni poate fi considerată ca acțiunea sarcinilor negative situate
în centrul nucleului. Deoarece centrii de acțiune a particulelor încărcate pozitiv protoni - sunt de asemenea concentrați în centrul nucleului, în spațiul exterior atomul
este perceput ca fiind neutru electric.
Când aceste substanțe sunt introduse în câmpul electrostatic, electronii sunt
deplasați de forțele de câmp, iar centrele de acțiune ale electronilor și protonilor nu
coincid. În spațiul exterior, atomul în acest caz este perceput ca un dipol, adică, ca
un sistem cu două sarcini punctuale egale cu valori diferite -q și + q situate la o
anumită distanță mică a, egală cu deplasarea centrului orbitei electronilor în raport
cu centrul nucleului.
Într-un astfel de sistem, o sarcină pozitivă este părtinitoare în direcția de forță
a câmpului, o încărcare negativă în direcția opusă. Cu cât este mai mare forța externă
a câmpului, cu atât este mai mare deplasarea relativă a sarcinilor în fiecare moleculă.
Când câmpul dispare, electronii revin la stările lor originale de mișcare în
raport cu nucleul atomic și dielectricul devine din nou neutru. Modificarea de mai
sus a proprietăților unui dielectric sub influența unui câmp se numește polarizare
electronică.
În dielectricii polari, moleculele sunt dipoli. Fiind într-o mișcare termică
haotică, momentul dipolului își schimbă constant poziția. Aceasta duce la
compensarea câmpurilor dipol ale moleculelor individuale și la faptul că în afara
dielectricului, când nu există câmp extern, un câmp macroscopic este absent.
Când aceste substanțe sunt expuse unui câmp electrostatic extern, dipolii se
vor roti și vor fi aranjați axial de-a lungul câmpului. Acest aranjament complet
comandat va fi împiedicat de mișcarea termică.
Cu o rezistență mică a câmpului, numai dipolii se rotesc cu un anumit unghi
în direcția câmpului, care este determinat de echilibrul dintre acțiunea câmpului
electric și efectul mișcării termice.
Pe măsură ce intensitatea câmpului crește, rotația moleculelor și, în
consecință, gradul de polarizare cresc. În astfel de cazuri, distanța a dintre sarcinile
dipolilor este determinată de proiecția medie a axelor dipolilor pe direcția de
rezistență a câmpului. Pe lângă acest tip de polarizare, care se numește polarizare
orientativă, polarizarea electronilor apare și în aceste dielectrice datorită deplasării
sarcinii
Modelele de polarizare descrise mai sus sunt de bază pentru toate substanțele
izolante: gazoase, lichide și solide. În dielectricele lichide și solide, în care distanța
medie între molecule este mai mică decât în gaze, fenomenul de polarizare este
complicat, deoarece pe lângă deplasarea centrului orbitei electronilor în raport cu
nucleul sau rotirea dipolilor polari, se observă și interacțiunea dintre molecule.
Deoarece atomii și moleculele individuale din masa dielectrică polarizează
doar și nu se descompun în ioni încărcați pozitiv și negativ, sarcinile ambelor semne
sunt egale în fiecare element al volumului dielectric polarizat. Prin urmare,
dielectricul rămâne neutru electric în totalitate.
O excepție sunt încărcările polilor moleculelor situate la suprafețele de
delimitare ale dielectricului. Astfel de sarcini formează straturi subțiri încărcate pe
aceste suprafețe. Într-un mediu omogen, fenomenul de polarizare poate fi
reprezentat ca un aranjament armonios al dipolilor.
Download