Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрик, при воздействии на него электрического поля, поляризуется: на его поверхностях наводятся электрические заряды.  Если электрическое поле увеличивать, то при большом напряжении наступает пробой диэлектрика, его структура меняется, возникает электрический ток.

Что такое поляризация?


Диэлектрики – это вещества, не имеющие, при нормальных условиях,  свободных электрических зарядов.

атом углерода в кристалле алмаза
Атом углерода в кристалле алмаза

Рассмотрим отдельный атом диэлектрика, например, атом углерода в кристалле  алмаза. Он симметричен.  У него есть положительно заряженное ядро и отрицательно заряженное электронное облако. Суммарный электрический заряд атома равен нулю, он электрически нейтрален.

Когда на атом действует внешнее электрическое поле, его электронное облако меняет форму, смещается в сторону положительных электрических зарядов. Атом становится полярным: у него появляются положительный и отрицательный полюса.

На поверхности кристалла, обращенной к положительному электроду, формируется отрицательный заряд. На противоположной поверхности, обращенной к отрицательному электроду – заряд положительный.

Диэлектрик, на который не действует электрическое поле. Атомы нейтральны.
Диэлектрик, на который не действует электрическое поле. Атомы нейтральны.
Диэлектрик помещен между положительным и отрицательным электродами. На поверхностях диэлектрического тела формируются электрические заряды.
Диэлектрик помещен между положительным и отрицательным электродами. На поверхностях диэлектрического тела формируются электрические заряды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значит ли это, что мы наблюдаем хорошо известный эффект «статического электричества»? Нет, в данном случае на поверхность не попадают дополнительные электроны. Причиной поляризации является действие внешнего электрического поля, деформирующее электронные облака атомов.

Что такое пробой диэлектрика?



Если внешнее поле увеличивается до больших значений, происходит пробой диэлектрика. Электронное облако вытягивается, вытягивается… и в конце концов рвется. Электроны с поверхности тела улетают к положительному электроду, а оторвавшиеся электроны в толще вещества пробивает себе дорогу, проталкиваясь между другими атомами и выбивая с орбит дополнительные электроны.

Число свободных носителей заряда стремительно растет,  происходит лавинный эффект. При этом с отрицательного электрода на «положительную» сторону тела устремляются электроны, компенсирующие убыль собственных носителей заряда в образце. В диэлектрике образуются проводящие каналы, по ним идет большой ток, от которого сильно повышается температура; вещество разрушается.

Результаты подобных явлений – пробитые конденсаторы в радиоаппаратуре, разрушенная изоляция в электротехнических устройствах.

Грозой разряд

Самое яркое, всем знакомое проявление пробоя диэлектрика – это грозовые разряды. Но что является источником электрического напряжения во время грозы? Откуда берется внешнее электрическое поле в небе? Здесь проявляется еще одно свойство диэлектриков: они способны сами создавать и накапливать значительные количества свободных носителей заряда.

Статическое электричество



Когда мы рассыпаем искры, снимая синтетическую одежду, или испытываем неприятный укол тока, прикасаясь к металлической поверхности – это разряд статического электричества. Диэлектрики способны накапливать на своей поверхности большие количества свободных носителей заряда. Это «лишние» электроны или, напротив, неполные атомы, лишившиеся одного или двух электронов из своего электронного облака.

Потеря зарядов и их приобретение происходит при трении тел или при их соприкосновении. Знаменитый опыт с расческой, электризующей волосы,  иллюстрирует это явление: пластмасса, при трении о волосы, теряет электроны, а на волосинках они накапливаются. В результате волосы, приобретая одноименный заряд, отталкиваются друг от друга, а расческа интенсивно притягивает пылинки, чтобы скомпенсировать недостаток электронов.



Массы влажного воздуха, образующие грозовые тучи, накапливают заряды, взаимодействуя с ионосферой. Возможно и формирование разноименных зарядов в грозовых тучах, происходящее от взаимодействия  воздушных потоков разной температуры и влажности. Воздух, при нормальных условиях,  является диэлектриком, но при накоплении в тучах зарядов возникает очень  большое напряжение между тучами и землей.

Особенно сильна напряженность поля возле заостренных возвышающихся предметов: мачты, вершины гор, электрические опоры «притягивают» молнии. Происходит пробой диэлектрика, с образованием в воздухе лавинного канала; по этому каналу идет сильный ток.

Опасные предрассудки, связанные с электрическими разрядами



С таким мощным проявлением разряда статического электричества, как гроза, люди имеют дело многократно по нескольку раз в год. Иногда кто-то становится жертвой молнии.

Увы, до сих пор существует вредный, смертельно опасный предрассудок: невежественные люди думают, что человека, пострадавшего от тока, нужно закопать в землю, «чтобы электричество вышло». Они что-то слышали о заземлении, и оправдывают этим свои абсурдные действия. Этого делать нельзя!



В человеке, пострадавшем от электрического тока, нет никакого «электричества», но оно прошло через его тело, вызвав шок. Нужна срочная помощь: искусственное дыхание, массаж сердца, вызов медицинской помощи. Активные действия могут вывести пострадавшего из шока. Даже отсутствие действий лучше, чем «заземление» пострадавшего.

Удар молнии в дерево

Чтобы не стать жертвой молнии, нужно помнить: разряд притягивается к возвышающимся предметам. Нельзя стоять под высоким деревом или рядом с электроопорой во время грозы. Если вы на вершине холма – скорее спуститесь вниз. Если на плоской равнине – желательно найти ложбину или овраг и спуститься в нее; туда молния не ударит.

Спровоцировать лавинный эффект электрического разряда может не только металлический столб, но и источник радиосигнала. Опасно звонить  по мобильному телефону, если надвигается гроза.