Что такое диэлектрик в физике: Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Проводники и диэлектрики

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока. 

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу. 

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод. 

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

• показатель сопротивления;
• показатель электропроводности.

Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность. 

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.  

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу. 

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы. 

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств. 

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач. 

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.  

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос). 

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно. 

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы. 

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах. 

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля. 

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника. 

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.  

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника. 

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы. 

Полупроводниками являются кремний и германий.

Статья по теме: Электрический ток и его скорость

Электростатика диэлектриков

В физике различают следующие задачи электростатики диэлектриков. В качестве первой выступает расчет электрических полей в системах проводников с диэлектрическими прокладками, что характерно для практической электротехники.

Вторая задача подразумевает изучение физической природы диэлектрического упорядочения. Так здесь потребуется выяснить, каким способом осуществляется поляризация сред, и как они в дальнейшем будут влиять на другие среды. При этом расчет же эффектов диэлектрических прокладок невозможно провести без знания о том, как в данных средах происходит возникновение системы связанных зарядов и о последствиях, которые могут возникнуть потом.

Проводники и диэлектрики

Условно в природе все тела можно разделить, согласно электрическим свойствам на такие классы:

• проводники;
• диэлектрики.

К проводникам стандартно относятся все металлы, в которых присутствует множество так называемых «свободных» электронов, которые ранее оторвались от ионов кристаллической решетки и теперь свободно перемещаются по металлу. Что касается диэлектриков, то в них присутствие таких зарядов не наблюдается.

Готовые работы на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость

Рисунок 1. Диэлектрическая проницаемость. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Также существуют вещества с наличием небольшого числа «свободных» зарядов, они при этом занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками и носят название «полупроводники».

Заряды в составе молекул и атомов диэлектрика существуют в прочной взаимосвязи между собой, а их перемещение становится возможным исключительно в пределах своей молекулы. Но подобная ограниченная подвижность зарядов может спровоцировать возникновение в диэлектрике заряженных областей (поверхностей) под влиянием внешнего электрического поля. Возникающие при этом заряды будут называться «поляризационными» (связанными), при этом, они, в отличие от «свободных» зарядов металла, не способны к перетеканию по проволоке от одного образца к другому.

Замечание 1

Процессы, осуществляемые в диэлектриках во внешнем поле, легко увидеть при представлении диэлектрика в качестве среды, состоящей из электрических диполей. Электрический диполь представляет систему двух разноименных зарядов, характеризующуюся дипольным моментом.

Рисунок 2. Электрический диполь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В целом, любая молекула может быть систематически рассмотрена в формате электрического диполя с дипольным моментом.

Диэлектрики в электростатическом поле

Какое влияние оказывают на электростатическое поле тела, не являющиеся проводниками? Для выяснения этого вопроса надо ближе познакомиться со строением таких тел. У изолятора или диэлектрика электрические заряды, а точнее, электрически заряженные частицы — электроны и ядра в нейтральных атомах связаны друг с другом. Они не могут, подобно свободным зарядам проводника, перемещаться под действием электрического поля по всему объему тела.

Замечание 2

Различия в строении проводников и диэлектриков приводят к их разному поведению в электростатическом поле. Электрическое поле способно существовать внутри диэлектрика. Понять процесс формирования незаряженным диэлектриком электрического поля помогает изучение электрических свойств нейтральных атомов и молекул.

Виды диэлектриков и их поляризация

Существующие в физике диэлектрики можно разделить на следующие виды:

• полярные;
• неполярные.

Рисунок 3. Диэлектрики в электростатическом поле. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Полярные будут состоять из таких молекул, центры распределения положительных и отрицательных зарядов у которых совпадать не будут. Неполярные состоят из атомов или молекул, чьи центры распределения положительных и отрицательных оказываются совпадающими.

Молекулы, таким образом, у этих видов также разные. К полярным диэлектрикам принадлежат: вода, спирты, и др., к неполярным можно отнести водород, инертные газы, кислород, бензол, полиэтилен и др.

Во вторую большую группу веществ, различаемых, согласно их электрическим свойствам, включены диэлектрики (изоляторы), то есть специальные вещества, которые не проводят электрический ток. К диэлектрикам относят: разновидности пластмасс, керамики, кристаллы солей, сухую древесину.

Резкая граница между проводниками и изоляторами отсутствует, поскольку в той или иной степени все вещества обладают способностью к проведению электрического тока, однако в большинстве случаев можно пренебречь плохой проводимостью веществ, при этом считая их идеальными изоляторами.

Поскольку все вещества оказываются состоящими из электрически заряженных частиц, происходит их непосредственное взаимодействие с электрическим полем. В диэлектриках, под воздействием электрического поля, может фиксироваться смещение зарядов на незначительное расстояние, с величиной такого смещения, меньшей размеров молекул и атомов. В то же время, подобные смещения могут спровоцировать довольно значительные последствия, например, в виде возникновения индуцированных зарядов.

В диэлектриках, в отличие от проводников, возникновение индуцированных зарядов может наблюдаться не просто на поверхности, но и внутри их объема. Существуют несколько механизмов диэлектрической поляризации.

Таким образом, механизмы поляризации полярных диэлектриков и неполярных будут различны при сравнении. Дипольные моменты молекул (в отсутствие внешнего поля) будут хаотически ориентированными, по этой причине в любом объеме диэлектрика, содержащем довольно большое число молекул, суммарный дипольный момент оказывается равнозначным нулевому значению.

В рамках внешнего электрического поля на молекулы оказывает непосредственное воздействие вращающий момент, что заставляет молекулы начинают ориентироваться таким образом, что вектор дипольного момента начинает выстраивается вдоль вектора напряженности внешнего поля.

Таким образом, диэлектрик и каждая из его частей приобретает индуцированный дипольный момент, а такой механизм поляризации будет называться ориентационным. В полном объеме ориентации всех молекул оказывает препятствие тепловое хаотическое движение, что объясняет лишь частичную ориентацию молекул диэлектрика по внешнему полю.

Диэлектрик — Dielectric — qaz.wiki

Слабо проводящее или непроводящее неметаллическое вещество, носители заряда которого, как правило, не могут свободно перемещаться

Поляризованный диэлектрический материал

Диэлектрика (или диэлектрический материал ) представляет собой электрический изолятор , который может быть поляризован приложенным электрическим полем . Когда диэлектрический материал помещается в электрическое поле, электрические заряды не протекают через материал, как в электрическом проводнике, а лишь незначительно смещаются от своих средних положений равновесия, вызывая поляризацию диэлектрика . Из-за диэлектрической поляризацииположительные заряды смещаются в направлении поля, а отрицательные заряды смещаются в направлении, противоположном полю (например, если поле движется в положительной оси x, отрицательные заряды будут перемещаться в отрицательной оси x) . Это создает внутреннее электрическое поле, которое уменьшает общее поле внутри самого диэлектрика. Если диэлектрик состоит из слабо связанных молекул, эти молекулы не только поляризуются, но и переориентируются, так что их оси симметрии совпадают с полем.

Изучение диэлектрических свойств касается накопления и рассеяния электрической и магнитной энергии в материалах. Диэлектрики важны для объяснения различных явлений в электронике , оптике , физике твердого тела и биофизике клетки .

Терминология

Хотя термин изолятор подразумевает низкую электропроводность , диэлектрик обычно означает материалы с высокой поляризуемостью . Последнее выражается числом, называемым относительной диэлектрической проницаемостью . Термин «изолятор» обычно используется для обозначения электрического препятствия, а термин «диэлектрик» используется для обозначения способности материала накапливать энергию (посредством поляризации). Типичный пример диэлектрика — электроизоляционный материал между металлическими пластинами конденсатора . Поляризация диэлектрика приложенным электрическим полем увеличивает поверхностный заряд конденсатора для данной напряженности электрического поля.

Термин диэлектрик был введен Уильямом Уэвеллом (от диа — + электрический ) в ответ на просьбу Майкла Фарадея . Идеальный диэлектрик является материалом с нулевой электрической проводимостью ( ср идеального проводником бесконечной электропроводности), тем самым показывая только ток смещения ; поэтому он хранит и возвращает электрическую энергию, как если бы это был идеальный конденсатор.

Электрическая восприимчивость

В диэлектрической восприимчивости х _е из диэлектрического материала является мерой того , насколько легко он поляризует в ответ на электрическое поле. Это, в свою очередь, определяет электрическую проницаемость материала и, таким образом, влияет на многие другие явления в этой среде, от емкости конденсаторов до скорости света .

Он определяется как постоянная пропорциональности (которая может быть тензором ), связывающая электрическое поле E с наведенной плотностью диэлектрической поляризации P , так что

пзнак равноε0χеE,{\ displaystyle \ mathbf {P} = \ varepsilon _ {0} \ chi _ {e} \ mathbf {E},}

где ε ₀ — электрическая проницаемость свободного пространства . {t} \ chi _ {e} \ left (t-t ‘\ right) \ mathbf {E } \ left (t ‘\ right) \, dt’.}

То есть поляризация представляет собой свертку электрического поля в предыдущие моменты времени с зависящей от времени восприимчивостью, заданной как χ _e (Δ t ). Верхний предел этого интеграла может быть расширен до бесконечности, а если определить χ _е (Δ т ) = 0 для Д т <0 . Мгновенный отклик соответствует восприимчивости дельта-функции Дирака χ _e (Δ t ) = χ _e δ (Δ t ) .

В линейной системе удобнее взять преобразование Фурье и записать это соотношение как функцию частоты. По теореме о свертке интеграл становится простым произведением,

п(ω)знак равноε0χе(ω)E(ω).{\ displaystyle \ mathbf {P} (\ omega) = \ varepsilon _ {0} \ chi _ {e} (\ omega) \ mathbf {E} (\ omega).}

Восприимчивость (или, что то же самое, диэлектрическая проницаемость) зависит от частоты. Изменение восприимчивости по частоте характеризует дисперсионные свойства материала.

Более того, тот факт, что поляризация может зависеть только от электрического поля в предыдущие моменты времени (т. Е. Χ _e (Δ t ) = 0 для Δ t <0 ), как следствие причинности , налагает ограничения Крамерса – Кронига на действительные и мнимые части восприимчивости х _£ ( со ).

Диэлектрическая поляризация

Базовая модель атома

Взаимодействие электрического поля с атомом в рамках классической диэлектрической модели.

В классическом подходе к диэлектрической модели материал состоит из атомов. Каждый атом состоит из облака отрицательного заряда (электронов), связанного с положительным точечным зарядом в его центре и окружающего его. В присутствии электрического поля облако зарядов искажается, как показано в правом верхнем углу рисунка.

Его можно свести к простому диполю, используя принцип суперпозиции . Диполь характеризуется ее дипольный моментом , величина вектора , показанной на рисунке в виде синюю стрелки с надписью М . Именно связь между электрическим полем и дипольным моментом определяет поведение диэлектрика. (Обратите внимание, что дипольный момент указывает в том же направлении, что и электрическое поле на рисунке. Это не всегда так и является большим упрощением, но верно для многих материалов.)

Когда электрическое поле снимается, атом возвращается в исходное состояние. Время, необходимое для этого, называется временем релаксации ; экспоненциальный спад.

В этом суть модели в физике. Теперь поведение диэлектрика зависит от ситуации. Чем сложнее ситуация, тем богаче должна быть модель для точного описания поведения. Важные вопросы:

• Электрическое поле постоянно или меняется со временем? С какой скоростью?
• Зависит ли отклик от направления приложенного поля ( изотропия материала)?
• Ответ везде одинаковый ( однородность материала)?
• Нужно ли учитывать какие-либо границы или интерфейсы?
• Является ли реакция линейной по полю или есть нелинейности ?

Связь между электрическим полем E и дипольным моментом M приводит к поведению диэлектрика, которое для данного материала может быть охарактеризовано функцией F, определяемой уравнением:

Mзнак равноF(E){\ Displaystyle \ mathbf {M} = \ mathbf {F} (\ mathbf {E})}.

Когда определены и тип электрического поля, и тип материала, затем выбирается простейшая функция F, которая правильно предсказывает интересующие явления. Примеры явлений, которые можно смоделировать, включают:

Диполярная поляризация

Диполярная поляризация — это поляризация, которая либо присуща полярным молекулам (ориентационная поляризация), либо может быть индуцирована в любой молекуле, в которой возможно асимметричное искажение ядер (поляризация искажения). Ориентационная поляризация возникает в результате постоянного диполя, например, возникающего из-за угла 104,45 ° между асимметричными связями между атомами кислорода и водорода в молекуле воды, который сохраняет поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. Сборка этих диполей образует макроскопическую поляризацию.

При приложении внешнего электрического поля расстояние между зарядами внутри каждого постоянного диполя, связанное с химической связью , остается постоянным при ориентационной поляризации; однако само направление поляризации вращается. Это вращение происходит в масштабе времени, который зависит от крутящего момента и окружающей локальной вязкости молекул. Поскольку вращение не является мгновенным, диполярные поляризации теряют реакцию на электрические поля на самых высоких частотах. Молекула вращается в жидкости примерно на 1 радиан за пикосекунду, таким образом, эта потеря происходит при частоте 10 ¹¹ Гц (в микроволновом диапазоне). Задержка реакции на изменение электрического поля вызывает трение и нагрев.

Когда внешнее электрическое поле применяется с инфракрасной частотой или меньше, молекулы изгибаются и растягиваются под действием поля, и дипольный момент молекулы изменяется. Частота молекулярных колебаний примерно обратно пропорциональна времени, необходимому для изгиба молекул, и эта поляризация искажения исчезает выше инфракрасного.

Ионная поляризация

Ионная поляризация — это поляризация, вызванная относительными смещениями положительных и отрицательных ионов в ионных кристаллах (например, NaCl ).

Если кристалл или молекула состоит из атомов более чем одного типа, распределение зарядов вокруг атома в кристалле или молекуле склоняется к положительному или отрицательному. В результате, когда колебания решетки или молекулярные колебания вызывают относительные смещения атомов, центры положительных и отрицательных зарядов также смещаются. На расположение этих центров влияет симметрия смещений. Когда центры не совпадают, в молекулах или кристаллах возникает поляризация. Эта поляризация называется ионной поляризацией .

Ионная поляризация вызывает сегнетоэлектрический эффект, а также диполярную поляризацию . Сегнетоэлектрический переход, который вызывается совмещением ориентаций постоянных диполей вдоль определенного направления, называется фазовым переходом порядок-беспорядок . Переход, вызванный ионной поляризацией в кристаллах, называется фазовым переходом смещения .

В камерах

Ионная поляризация позволяет производить в клетках богатые энергией соединения ( протонный насос в митохондриях ), а на плазматической мембране — создание потенциала покоя , энергетически неблагоприятный транспорт ионов и межклеточную коммуникацию ( Na + / К + -АТФаза ).

Все клетки в тканях тела животных электрически поляризованы — другими словами, они поддерживают разность напряжений на плазматической мембране клетки , известную как мембранный потенциал . Эта электрическая поляризация является результатом сложного взаимодействия между переносчиками ионов и ионными каналами .

В нейронах типы ионных каналов в мембране обычно различаются в разных частях клетки, что придает дендритам , аксонам и телу клетки разные электрические свойства. В результате некоторые части мембраны нейрона могут быть возбудимыми (способны генерировать потенциалы действия), а другие — нет.

Диэлектрическая дисперсия

В физике диэлектрическая дисперсия — это зависимость диэлектрической проницаемости диэлектрического материала от частоты приложенного электрического поля. Поскольку существует задержка между изменениями поляризации и изменениями электрического поля, диэлектрическая проницаемость диэлектрика является сложной функцией частоты электрического поля. Диэлектрическая дисперсия очень важна для применения диэлектрических материалов и для анализа систем поляризации.

Это один из примеров общего явления, известного как материальная дисперсия : частотно-зависимый отклик среды на распространение волн.

Когда частота становится выше:

1. дипольная поляризация больше не может следовать за колебаниями электрического поля в микроволновом диапазоне около 10 ¹⁰  Гц ;
2. ионная поляризация и поляризация молекулярного искажения больше не могут отслеживать электрическое поле за пределами инфракрасной или дальней инфракрасной области около 10 ¹³ Гц;
3. электронная поляризация теряет отклик в ультрафиолетовой области около 10 ¹⁵  Гц.

В частотной области выше ультрафиолета диэлектрическая проницаемость каждого вещества приближается к постоянной ε ₀ , где ε ₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Поскольку диэлектрическая проницаемость указывает на силу связи между электрическим полем и поляризацией, если процесс поляризации теряет свой отклик, диэлектрическая проницаемость уменьшается.

Диэлектрическая релаксация

Диэлектрическая релаксация — это мгновенная задержка (или отставание) диэлектрической проницаемости материала. Обычно это вызвано задержкой молекулярной поляризации по отношению к изменяющемуся электрическому полю в диэлектрической среде (например, внутри конденсаторов или между двумя большими проводящими поверхностями). Диэлектрическую релаксацию при изменении электрических полей можно рассматривать как аналог гистерезиса при изменении магнитных полей (например, в сердечниках индуктора или трансформатора ). Релаксация, как правило, представляет собой задержку или запаздывание реакции линейной системы , и поэтому диэлектрическая релаксация измеряется относительно ожидаемых линейных стационарных (равновесных) значений диэлектрической проницаемости. Промежуток времени между электрическим полем и поляризацией подразумевает необратимую деградацию свободной энергии Гиббса .

В физике , диэлектрическая релаксация относится к реакции релаксации диэлектрической среды к внешнему, осциллирующему электрическому полю. {2}}}}

Эта модель релаксации была введена и названа в честь физика Питера Дебая (1913). Это характерно для динамической поляризации с одним временем релаксации.

Варианты уравнения Дебая.

Уравнение Коула – Коула

Это уравнение используется, когда пик диэлектрических потерь демонстрирует симметричное уширение.

Уравнение Коула – Дэвидсона

Это уравнение используется, когда пик диэлектрических потерь демонстрирует асимметричное уширение.

Гавриляк – Негами релаксация

Это уравнение учитывает как симметричное, так и асимметричное уширение.

Функция Кольрауша – Вильямса – Уоттса

Преобразование Фурье растянутой экспоненциальной функции .

Закон Кюри – фон Швайдлера

Это показывает реакцию диэлектриков на приложенное поле постоянного тока, чтобы вести себя согласно степенному закону, который может быть выражен как интеграл по взвешенным экспоненциальным функциям.

Параэлектричество

Параэлектричество — это способность многих материалов (особенно керамики ) поляризоваться под действием приложенного электрического поля . В отличие от сегнетоэлектричества , это может произойти, даже если в материале нет постоянного электрического диполя , а устранение полей приводит к тому, что поляризация в материале возвращается к нулю. Механизмы, вызывающие параэлектрическое поведение, — это искажение отдельных ионов (смещение электронного облака от ядра) и поляризация молекул или комбинаций ионов или дефектов.

Параэлектричество может возникать в кристаллических фазах, где электрические диполи не выровнены и, таким образом, обладают потенциалом выравнивания во внешнем электрическом поле и его ослабления.

Примером параэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью является титанат стронция .

LiNbO ₃ кристалла сегнетоэлектрика ниже 1430 K и выше этой температуры она превращается в неупорядоченной парафазе. Точно так же другие перовскиты также проявляют параэлектричество при высоких температурах.

Параэлектричество исследовалось как возможный механизм охлаждения; поляризация параэлектрика путем приложения электрического поля в условиях адиабатического процесса повышает температуру, а удаление поля снижает температуру. Тепловой насос, который работает за счет поляризации параэлектрика, позволяя ему вернуться к температуре окружающей среды (рассеивая дополнительное тепло), вводя его в контакт с охлаждаемым объектом и, наконец, деполяризуя его, приведет к охлаждению.

Возможность настройки

Перестраиваемые диэлектрики — это изоляторы, способность которых сохранять электрический заряд изменяется при приложении напряжения.

Обычно титанат стронция ( SrTiO
^{₃) используется для устройств, работающих при низких температурах, а титанат бария-стронция ( Ba
_1-хSr
_ИксTiO
₃) заменители приборов комнатной температуры. Другие потенциальные материалы включают микроволновые диэлектрики и композиты из углеродных нанотрубок (УНТ).}

В 2013 году многослойные слои титаната стронция, чередующиеся с отдельными слоями оксида стронция, дали диэлектрик, способный работать на частоте до 125 ГГц. Материал был создан методом молекулярно-лучевой эпитаксии . У этих двух кристаллов несовпадение расстояния между кристаллами, что создает напряжение в слое титаната стронция, что делает его менее стабильным и настраиваемым.

Такие системы, как Ba
^{_1-хSr
_ИксTiO
₃имеют переход параэлектрик – сегнетоэлектрик чуть ниже температуры окружающей среды, что обеспечивает высокую настраиваемость. Такие пленки несут значительные потери из-за дефектов.}

Приложения

Конденсаторы

Разделение зарядов в конденсаторе с параллельными пластинами вызывает внутреннее электрическое поле. Диэлектрик (оранжевый) уменьшает поле и увеличивает емкость.

В промышленных конденсаторах обычно используется твердый диэлектрический материал с высокой диэлектрической проницаемостью в качестве промежуточной среды между накопленными положительными и отрицательными зарядами. Этот материал часто называют диэлектриком конденсатора .

Наиболее очевидным преимуществом использования такого диэлектрического материала является то, что он предотвращает прямой электрический контакт проводящих пластин, на которых хранятся заряды. Однако более важно то, что высокая диэлектрическая проницаемость позволяет хранить больший заряд при заданном напряжении. Это можно увидеть, рассматривая случай линейного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε и толщиной d между двумя проводящими пластинами с однородной плотностью заряда σ _ε . В этом случае плотность заряда определяется выражением

σεзнак равноεVd{\ displaystyle \ sigma _ {\ varepsilon} = \ varepsilon {\ frac {V} {d}}}

а емкость на единицу площади — на

cзнак равноσεVзнак равноεd{\ displaystyle c = {\ frac {\ sigma _ {\ varepsilon}} {V}} = {\ frac {\ varepsilon} {d}}}

Из этого легко увидеть, что большее значение ε приводит к большему накопленному заряду и, следовательно, большей емкости.

Диэлектрические материалы, используемые для конденсаторов, также выбираются так, чтобы они были стойкими к ионизации . Это позволяет конденсатору работать при более высоких напряжениях до того, как изолирующий диэлектрик ионизируется и пропускает нежелательный ток.

Диэлектрический резонатор

Генератор с диэлектрическим резонатором (DRO) — это электронный компонент, который демонстрирует резонанс поляризационного отклика для узкого диапазона частот, обычно в микроволновом диапазоне. Он состоит из керамической «шайбы» с большой диэлектрической проницаемостью и низким коэффициентом рассеяния . Такие резонаторы часто используются для задания частоты в цепи генератора. Неэкранированный диэлектрический резонатор может использоваться в качестве диэлектрической резонаторной антенны (ДРА).

Тонкие пленки BST

С 2002 по 2004 год Армейская исследовательская лаборатория (ARL) проводила исследования по технологии тонких пленок. Титанат бария-стронция (BST), тонкая сегнетоэлектрическая пленка, был исследован для изготовления радиочастотных и микроволновых компонентов, таких как генераторы, управляемые напряжением, настраиваемые фильтры и фазовращатели.

Исследование было частью усилий по обеспечению армии высоконастраиваемыми, совместимыми с микроволновым излучением материалами для устройств с широкополосной перестройкой электрического поля, стабильно работающих при экстремальных температурах. Эта работа улучшила возможность настройки объемного титаната бария-стронция, который является тонкопленочным активатором для электронных компонентов.

В исследовательской работе 2004 года исследователи ARL исследовали, как небольшие концентрации акцепторных примесей могут резко изменить свойства сегнетоэлектрических материалов, таких как BST.

Исследователи «легировали» тонкие пленки BST магнием, анализируя «структуру, микроструктуру, морфологию поверхности и качество состава пленки / подложки». Пленки BST, легированные магнием, показали «улучшенные диэлектрические свойства, низкий ток утечки и хорошую настраиваемость», что позволяет использовать их в настраиваемых микроволновых устройствах.

Некоторые практические диэлектрики

Диэлектрические материалы могут быть твердыми, жидкостями или газами. (Высокий вакуум также может быть полезным диэлектриком почти без потерь, даже если его относительная диэлектрическая проницаемость равна всего единице.)

Твердые диэлектрики, возможно, являются наиболее часто используемыми диэлектриками в электротехнике, а многие твердые тела являются очень хорошими изоляторами. Некоторые примеры включают фарфор , стекло и большинство пластмасс . Воздух, азот и гексафторид серы — три наиболее часто используемых газообразных диэлектрика .

• Промышленные покрытия, такие как парилен, создают диэлектрический барьер между подложкой и окружающей средой.
• Минеральное масло широко используется в электрических трансформаторах в качестве жидкого диэлектрика и для охлаждения. Диэлектрические жидкости с более высокой диэлектрической проницаемостью, такие как касторовое масло для электротехнического качества , часто используются в высоковольтных конденсаторах, чтобы предотвратить коронный разряд и увеличить емкость.
• Поскольку диэлектрики сопротивляются току электричества, поверхность диэлектрика может сохранять скрученные избыточные электрические заряды. Это может произойти случайно при трении диэлектрика ( трибоэлектрический эффект ). Это может быть полезно, как в генераторе Ван де Граафа или электрофоре , или может быть потенциально разрушительным, как в случае электростатического разряда .
• Специально обработанные диэлектрики, называемые электретами (которые не следует путать с сегнетоэлектриками ), могут сохранять избыточный внутренний заряд или «замораживаться» поляризацией. Электреты обладают полупостоянным электрическим полем и являются электростатическим эквивалентом магнитов. Электреты находят множество практических применений в быту и промышленности.
• Некоторые диэлектрики могут создавать разность потенциалов при воздействии механического напряжения или (что эквивалентно) изменять физическую форму, если к материалу приложено внешнее напряжение. Это свойство называется пьезоэлектричеством . Пьезоэлектрические материалы — еще один класс очень полезных диэлектриков.
• Некоторые ионные кристаллы и полимерные диэлектрики обладают спонтанным дипольным моментом, который может быть изменен внешним приложенным электрическим полем. Такое поведение называется сегнетоэлектрическим эффектом . Эти материалы аналогичны поведению ферромагнитных материалов во внешнем магнитном поле. Сегнетоэлектрические материалы часто имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость, что делает их весьма полезными для конденсаторов.

Смотрите также

Ссылки

дальнейшее чтение

внешние ссылки

§ 12.7 Диэлектрики. Типы диэлектриков и их поляризация

В 1729 г. английский
физик Стефан Грей обнаружил, что
электрический заряд может перемещаться
по одним телам и не перемещаться по
другим. Например, по металлической
проволоке электричество в его опытах
распространялось, а по шелковой нити
нет. С тех пор все вещества стали делиться
на проводники и непроводники электричества.
Последние были названы Фарадеем
диэлектриками.

Введённый Фарадеем
в 1837 г. термин «диэлектрики» образован
от двух слов — греческого «диа» (что
значит «через») и английского electric
(электрический).

Диэлектриком
называют вещество, которое не проводит
электрический ток, следовательно в это
веществе отсутствуют свободные заряженные
частицы (т.е.
таких заряженных частиц, которые способны
свободно перемещаться по всему объёму
тела). Такими
частицами могли бы быть электроны, но
в идеальном диэлектрике все электроны
связаны с ядром атома, т.е. принадлежат
отдельным атомам, и свободно перемещаться
по телу не могут. Чтобы нарушить эту
связь, нужны сильные воздействующие
факторы.

Диэлектрики
обладают способностью пропускать через
себя электростатическое поле. Проникая
через диэлектрики электростатическое
поле ослабевает, но всё-таки не до нуля,
как это происходит в металлах.

Диэлектриками
могут быть вещества в трёх агрегатных
состояниях: газообразном (азот, водород),
жидком (чистая вода), твёрдом (янтарь,
фарфор, кварц).

Всякая молекула
представляет собой систему с суммарным
зарядом, равным нулю. Поведение молекулы
во внешнем электрическом поле эквивалентно
диполю. Положительный заряд такого
диполя равен суммарному заряду ядер,
помещён в «центр тяжести» положительных
зарядов; отрицательный заряд равен
суммарному заряду электронов и помещён
в «центр тяжести» отрицательных зарядов.

Все диэлектрики
делятся на три группы: полярные, неполярные
и кристаллические.

• Полярные
  диэлектрики
  состоят из
  молекул,
  которые
  имеют
  асимметричное строение, что приводит
  к несовпадению «центров тяжести»
  положительных и отрицательных зарядов
  в молекуле (рис.12.20). Молекула в этом
  случае представляет собой диполь. В
  отсутствие внешнего поля Е₀,благодаря
  тепловому движению молекул, дипольные
  моменты ориентированы хаотически и
  суммарный дипольный момент всех молекул
  равен нулю
  .
  К таким диэлектрикам относятся фенол,
  нитробензол.

• Неполярные
  диэлектрики
  состоят из атомов и молекул, которые
  имеют симметричное строение (рис.12.21)
  , т.е. «центры тяжести» положительных
  и отрицательных зарядов совпадают в
  отсутствие внешнего электрического
  поля и, следовательно, не обладают
  собственным дипольным моментом. К ним
  относят инертные газы, бензол, парафин,
  водород, кислород.

• Кристаллические
  диэлектрики
  имеют ионную
  структуру, — это слабополярные диэлектрики.
  К ним относятся NaCl,
  KCl.

При помещении
диэлектрика в электрическое поле в его
объёме и на поверхности появляются
макроскопические заряды. Указанные
заряды возникают в результате поляризации
диэлектриков.

Поляризацией
диэлектрика
называется процесс ориентации диполей,
т.е. смещение положительных и отрицательных
зарядов внутри диэлектрика в противоположные
стороны.

Трём группам
диэлектриков соответствует три вида
поляризации.

Дипольная
(ориентационная) поляризация.
При
отсутствии
внешнего поля дипольные моменты полярных
молекул вследствие теплового движения
ориентированы в пространстве хаотично
и их результирующий момент равен нулю
(рис.12.22, а) . Если такой диэлектрик
поместить во внешнее поле (рис.12.22, б) ,
то силы этого поля будут стремится
повернуть диполи вдоль поля и возникает
отличный от нуля результирующий момент.
Эта ориентация дипольных моментов
молекул по полю тем сильнее, чем больше
напряжённость электрического поля и
ниже температура.

Электронная
поляризация.
Если неполярную молекулу поместить во
внешнее электрическое поле Е₀,
то под действием электрического поля
происходит деформация её электронных
орбит и молекулы диэлектрика превращаются
в диполи, сразу ориентированные вдоль
внешнего поля (ядра молекулы при этом
смещаются по полю, а электронная оболочка
вытягивается против поля и молекула
приобретает дипольный момент

(рис. 12.23).

Ионная
поляризация.
Если кристаллический диэлектрик (NaCl)
имеющий кристаллическую решётку, в
узлах которой правильно чередуются
положительные и отрицательные ионы,
поместить во внешнее электрическое
поле Е₀,
то произойдёт смещение положительных
ионов решётки вдоль направления поля,
а отрицательных ионов – в противоположную
сторону. В результате диэлектрик
поляризуется.

Такого рода
поляризация называется ионной. Степень
ионной поляризации зависит от свойств
диэлектрика и от напряжённости поля.

Твердые диэлектрики. Виды, свойства, применение. — КиберПедия

(картон Твердые диэлектрики — это чрезвычайно широкий класс веществ, содержащий вещества с радикально различающимися электрическими, теплофизическими, механическими свойствами. Например, диэлектрическая проницаемость меняется от значения, незначительно превышающего 1, до более чем 50000, в зависимости от типа диэлектриков: неполярный, полярный, сегнетоэлектрик. В главе 1 приводились определения различных типов диэлектриков. Вкратце коснемся этих определений применительно к твердым диэлектрикам.

Неполярный диэлектрик — вещество, содержащее молекулы с преимущественно ковалентной связью.

Полярный диэлектрик — вещество, содержащее дипольные молекулы или группы, или имеющее ионы в составе структуры.

Сегнетоэлектрик — вещество, имеющее в составе области со спонтанной поляризацией.

Механизмы поляризации у них резко различаются:

— чисто электронная поляризация у неполярных диэлектриков типа полиэтилена, полистирола, при этом e-мала, не более 3, диэлектрические потери тоже малы;

— ионная поляризация у ионных кристаллов типа NaCl или дипольная у полярных диэлектриков типа льда, при этом e может находиться в пределах от 3-4 до 100, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на частотах вращения диполей и других резонансных частотах;

— доменная поляризация у сегнетоэлектриков — при этом e максимальна и может достигать 10000-50000, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на резонансных частотах и в области повышенных частот.

Особенности механизмов проводимости в твердых диэлектриках — концентрация носителей очень мала, подвижность ионов в гомогенных материалах очень мала, подвижность электронов в чистых материалах велика, в технически чистых — мала. Механизмы электропроводности различны в разных веществах. Ионная проводимость реализуется у полидисперсных диэлектриков, бумага, гетинакс, дерево) и ионных кристаллов. В первом случае ионы передвигаются по границам раздела, образованным слипшимися дисперсными частицами. Появление носителей заряда сильно связано с влажностью этих материалов и определяется, как рассматривалось в лекциях 2 и 9 диссоциацией примесей и полярных групп основного вещества на поверхности раздела. В случае ионных кристаллов, в проводимости участвуют ионы основного вещества, примесей, дефекты структуры. Электронная проводимость реализуется у титанатов бария, стронция и т.д., электронная, дырочная и ионная проводимость у полимеров.

Термопласты — размягчаются при нагревании, что позволяет использовать простую технологию термопрессования. При этом гранулы исходного полимера помещают в камеру термопласт — автомата, нагревают до температуры размягчения, прессуют и охлаждают. Так делают мелкие диэлектрические детали. Для крупногабаритных изделий, типа кабелей, полутвердый расплав выдавливают через фильеру вместе с внутренним электродом кабеля

Наиболее распространенным диэлектриком этого класса является полиэтилен H-(CH₂)_nH. Полиэтилен производят путем полимеризации газа этилена при повышенных давлениях и температурах. В основном используются две технологии. Исторически первой была технология получения полиэтилена при высоком давлении до 250 МПа и температуре до 300 °С с помощью инициирующих агентов-окислителей. При этом получается т.н. полиэтилен высокого давления ПЭВД, для которого используется и другое название — полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). В настоящее время более распространена технология получения полиэтилена с помощью катализаторов при невысоком давлении до 1 МПа, невысокой температуре до 80 °С. При этом получается т.н. полиэтилен низкого давления ПЭНД, для которого используется и другое название — полиэтилен высокого плотности (ПЭВП). Главное отличие полученных продуктов с физико-химической точки зрения — повышенная водостойкость ПЭНД по сравнению с ПЭВД. .

Рядом уникальных свойств обладает фторопласт (политетрафторэтилен). Он химически инертен, не растворяется в растворителях, вплоть до температуры 260 °С, абсолютно не смачивается водой, не гигроскопичен. Недостатки — не стоек под действием радиации, обладает хладотекучестью.

Реактопласты — при нагревании не размягчаются, после достижения некоторой температуры начинаются разрушаться. Изделия из них обычно делают различными способами. Одна из распространенных дешевых технологий заключается в следующем. Сначала готовят пресс-порошки полимера. Затем пресс порошок засыпают в пресс-форму и прессуют при определенном давлении и температуре. При этом возникает сцепление между деформированными частицами, и после охлаждения материал готов к использованию. Возможно проведение полимеризации из исходных компонентов в заранее подготовленных формах.

Эпоксидные полимерыобладают хорошей механической прочностью, удовлетворительными электрофизическими характеристиками. Они являются полярными диэлектриками, некоторые марки эпоксидных материалов имеют диэлектрическую проницаемость до 16. Высокая полярность приводит к слабой водостойкости. Главное преимущество эпоксидных компаундов — простота технологии приготовления. Компаунды холодного отвержения получают смешиванием эпоксидной смолы, отвердителя и пластификатора. В период времени до начала твердения (от минут до часов) жидкую композицию можно заливать в требуемую форму. Часто компаунд используют для ремонта диэлектрических деталей в качестве клея.

Из других полимеров-реактопластов отметим диэлектрический материал с высокой механической прочностью — капролон, с большим диапазоном рабочих температур (-100°С до +250°С) — полиимиды и композиты на их основе.

Билет 17

Найдено вещество с гигантским значением диэлектрической проницаемости

Группе ученых из Германии, Индонезии, Нидерландов и России удалось обнаружить в веществе с химической формулой La_15/8Sr_1/8NiO₄ гигантское значение диэлектрической проницаемости — около 10⁵ (а при определенных условиях — и на порядок выше, 10⁶). Эта керамика имеет хорошие перспективы для технологических решений в микроэлектронике, поскольку сохраняет это значение диэлектрической проницаемости даже в присутствии переменного электрического поля с частотой вплоть до 1 Ггц.

Основной тенденцией в развитии микроэлектроники является миниатюризация и увеличение быстродействия различных устройств. Для запоминающих устройств вроде динамической и статической оперативной памяти, основанных на емкостных компонентах (конденсаторах), это означает, что при уменьшении размеров конденсатора величина его емкости должна оставаться прежней.

Из школьного курса известно, что емкость конденсаторов определяется геометрией прибора и диэлектрической проницаемостью ε среды, которая его заполняет (ε — безразмерная величина, зависящая от конкретного вещества). Для примера рассмотрим простейший случай — плоский конденсатор. Его емкость прямо пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Важно здесь то, что существует также линейная зависимость емкости от диэлектрической проницаемости вещества, которое заполняет пространство между обкладками. Следовательно, степень миниатюризации определяется диэлектрической проницаемостью: имея в распоряжении вещество с большим значением ε, можно добиться существенного увеличения емкости конденсатора при его неизменных размерах.

На роль такого вещества могли бы претендовать сегнетоэлектрики — диэлектрики со спонтанной поляризацией в отсутствие внешнего электрического поля, некий аналог ферромагнетиков (о том, что такое поляризация, будет еще сказано ниже). Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков может достигать десятков тысяч (у первого открытого сегнетоэлектрика — сегнетовой соли — ε достигает 10⁴). Однако проблема в том, что диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков очень сильно зависит от температуры: выше определенной температ

Конденсатор с диэлектриком | Репетитор 4 по физике

См. Коллекцию из решенных примеров по току и электричеству на нашем сайте
buzztutor.com

Что такое диэлектрик

Диэлектрический материал — это изолятор, в котором нет свободных электронов.

Это означает, что диэлектрик не может проводить ток.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическую проницаемость K можно записать как отношение диэлектрической проницаемости среды.
разрешению свободного пространства.

Его также можно определить как отношение
емкость с диэлектриком в качестве среды и
— емкость с воздухом или вакуумом между пластинами.

Далее его также можно определить как отношение
электрическое поле между пластинами с воздухом или вакуумом в качестве среды и
— электрическое поле между пластинами с диэлектриком в качестве среды.

Полярные и неполярные материалы

Материалы можно разделить на полярные и неполярные.

Полярные материалы

Материалы и называются полярными материалами, когда молекулы обладают суммарным дипольным моментом.
Это означает, что центр масс положительного заряда и центр масс
отрицательный заряд в молекуле незначительно отделен

Неполярные материалы

Материалы и называются неполярными материалами, когда молекулы не имеют чистого диапольного момента.
Это означает, что центр масс положительного заряда и центр масс
отрицательные заряды в молекуле совпадают и не способны создать дипольный момент

Атомы из-за своей сферической симметрии всегда неполярны

Конденсатор с диэлектриком

Если поместить диэлектрик между пластинами парелеля конденсатора и дать заряд
к конденсатору, то в отсутствие диэлектрика возникает электрическое поле
.Скажем, расстояние между пластинами d
а толщина диэлектрика t. Теперь, поскольку положительный заряд находится на одной пластине
а отрицательный заряд находится на другой пластине, он будет вызывать диапольный момент в молекулах
диэлектрика. Если бы молекулы были изначально неполярными, у них это индуцировалось бы, если
у них уже был диапольный момент, они будут перестроены в соответствии с положительным и отрицательным зарядом
на пластинах, ориентируясь таким образом в направлении электрического поля.Теперь слева
сторона диэлектрика будет иметь чистый отрицательный заряд, а правая сторона — чистый положительный заряд. А также,
в результате направление индуцированного электрического поля
внутри диэлектрика будет справа налево.

Итак, поскольку слева есть электрическое поле из-за индукции, чистое электрическое поле

внутри диэлектрик уменьшится и будет:

Однако направление
будет таким же, как направление

Влияние диэлектрика на емкость конденсатора

Пусть будет площадь каждой пластины

При отсутствии диэлектрика емкость
можно записать как:

Как только диэлектрик имеет толщину
помещается между пластинами, емкость изменится.

потенциал между пластинами будет:

Вот продукт
электрического поля и расстояния
пространства, свободного от диэлектрика, что определяется выражением
.
это продукт электрического поля
внутри диэлектрика и толщины
диэлектрика.

Сейчас

, следовательно,

мы знаем, что

, следовательно,

или

Из закона Гаусса мы знаем, что
где — поверхностная плотность заряда, т. е.
плата за единицу площади

, поэтому мы можем сказать, что если это заряд
на каждой пластине, которая отрицательна на одной и положительна на другой, затем

или

мы знаем, что

, следовательно,

, следовательно,

мы знаем, что емкость

, следовательно,

Это формула емкости при неполном заполнении диэлектриком.
тарелки

Отсюда видно, что если диэлектрик полностью заполняет пластины, то t будет равно d.Когда мы подставляем это, получаем

мы видели, что

, следовательно,

Так как K всегда больше 1, то
это означает, что

Или, если мы поместим диэлектрик между пластинами конденсатора, его емкость будет равна
увеличить

Электрическая прочность

Это максимальное значение электрического поля, которое диэлектрик может выдержать без
электрический пробой.

Что такое физика? (с иллюстрациями)

Физика применяет научные методологии, чтобы понять самые фундаментальные принципы природы: материю и энергию, а также то, как они взаимодействуют.Физик обычно специализируется в одной области физики, хотя многие дисциплины пересекаются.

Сверхновая, изучаемая в астрофизике и космологии.

Астрофизика и космология — это примеры наук, которым поручено разгадывать тайны жизни в широком масштабе.Задача этой ветви — от черных дыр до сверхновых — объяснить рождение звезд, падение галактик и зарождение Вселенной.

Физик-теоретик Альберт Эйнштейн разработал теории общей и специальной теории относительности.

Геофизика занимается изучением Земли с точки зрения электромагнитных, сейсмических и радиоактивных явлений. Тектоника плит, геология, атмосферная наука, климатология и океанография — лишь некоторые из наук, подпадающих под сферу компетенции этой области. Благодаря этому разделу физики ученые лучше понимают такие явления, как землетрясения, извержения вулканов, образование гор и дрейф континентов.

Физика позволяет лучше понять такие события, как извержения вулканов и образование гор.

Атомная и ядерная физика , наряду с различными дисциплинами, занимается одной из самых фундаментальных областей природы — пониманием атома.Ядерная энергия, радиоактивность, медицинские системы визуализации, кардиостимуляторы и атомные часы — вот лишь несколько преимуществ, полученных из этих областей. Изучение атома также привело непосредственно к возникновению квантовой физики.

Квантовая физика , пожалуй, самая увлекательная отрасль физики, поскольку она открывает мир, настолько чуждый тем, кого знает большинство людей, почти невероятный.Задача этой области — познакомить ученых с мельчайшими частицами, известными человеку, и открыть самые фундаментальные уровни материи и света. Здесь квантовые частицы ведут себя противоречащим интуиции: они готовы путешествовать во времени как назад, так и вперед или одновременно появляться в двух местах одновременно. Квантовая физика внесла уникальный и далеко идущий вклад в различные области науки. Это также привело к новому теоретическому пониманию частиц и к тому, что может быть Святым Граалем науки: Theory Of Everything .

Теоретическая физика выдвигает на передний план новаторские гипотезы по нерешенным вопросам во всех областях физики. В некоторых кругах теоретическая физика не очень хорошо воспринимается, потому что теории недоказаны, и часто нет инструментов, чтобы сделать это в течение десятилетий, если вообще при жизни ученого.Однако косвенная поддержка и математическая последовательность привели к прорыву в теории суперструн , которая могла бы быть так называемой теорией всего . Эта теория объединит теорию относительности Эйнштейна с квантовым миром, объясняя взаимосвязь между четырьмя известными силами: гравитацией, сильными и слабыми ядерными взаимодействиями и электромагнетизмом. Хотя математическая последовательность находится на стороне суперструны M-теории , в настоящее время нет возможности окончательно проверить ее.

Лучшие писатели-фантасты часто оказываются физиками, которые используют свои познания в точных науках для экстраполяции вероятного будущего мира. Для любого с острым умом и чувством удивления загадочный мир физики может стать отличным и полезным карьерным ростом.

Астрофизики используют решетку радиотелескопов для отслеживания движений далеких небесных тел.

Ядерная физика — Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Ядерная физика — это раздел физики, изучающий ядро ​​атома. Все на Земле состоит из атомов; они представляют собой наименьшую часть химического элемента, которая все еще имеет свойства этого конкретного элемента. Когда два или более атома объединяются, они создают то, что мы знаем как молекулу, то есть наименьшую часть химического соединения, которая все еще имеет свойства этого конкретного соединения.Понимание структуры атомов является ключевым в таких исследованиях, как физика, химия, биология и т. Д.

Схема цикла CNO.

Структура [изменить | изменить источник]

Атомы состоят из электронов, нейтронов и протонов. Протоны и нейтроны находятся в центре атома, который называется ядром. Протоны и нейтроны — самая тяжелая часть атома и составляет большую часть его массы. Электроны очень быстро перемещаются вокруг ядра, образуя так называемое электронное облако.Электронное облако имеет очень маленькую массу, но составляет большую часть пространства атома. Электроны имеют отрицательный заряд, а протоны — положительный. Из-за зарядов в атоме атом остается вместе, благодаря притяжению электрических зарядов, присутствующих в атоме.

Недвижимость [изменить | изменить источник]

Атомы обладают разными характеристиками, которые отличают один атом от другого и показывают, как каждый атом может изменяться в разных условиях. Эти свойства включают атомный номер, массовое число, атомную массу и вес, а также изотопы.

Силы действующие [изменить | изменить источник]

В атоме есть три фундаментальные силы, которые удерживают атомы вместе. электромагнитное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Электромагнитная сила удерживает электроны в атоме. Сильное ядерное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре. Слабое ядерное взаимодействие контролирует распад атома.

Quantum [изменить | изменить источник]

В начале 20-го века ученым было трудно объяснить поведение атомов, используя свои современные знания о материи.Чтобы справиться с этим, они создали совершенно новый способ взглянуть на материю и энергию и назвали это квантовой теорией. Квантовая теория объясняет, как материя действует как частица и волна.

Радиация [изменить | изменить источник]

Атомы излучают излучение, когда их электроны теряют энергию и опускаются на более низкие орбитали. Разница в энергии между орбиталями определяет длину волны данного излучения. Это излучение может быть показано видимым светом или более короткими длинами волн.

Электрическое поле в диэлектрике.Проводники и изоляторы. Полярные и неполярные молекулы. Ионные кристаллы. Бесплатные и связанные сборы. Типы поляризации. Напряженность поля в диэлектрике. Электрический смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике.

Электрическое поле в диэлектриках
§ 1 Проводники и изоляторы.Полярные и неполярные молекулы. Ионные кристаллы. Бесплатные и связанные сборы. Типы поляризации.

• I. Проводники и изоляторы, см. Лекцию 1 по электростатике.
  II. Виды изоляторов.
  Молекулы диэлектрика, как и молекулы любого другого вещества, электрически нейтральны. Это означает, что чистый отрицательный заряд электронов равен сумме положительного заряда ядер.

Если у молекул в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают, то есть дипольный момент молекулы, эти молекулы называют неполярными.К ним относятся молекулы H ₂ , O ₂ , N ₂ .

Молекулы, у которых при отсутствии внешнего поля центры тяжести положительного и отрицательного зарядов не совпадают, т. Е. Есть дипольный момент, называются полярными. К ним относятся H ₂ O, CO, NH, HCl, SO ₄ и т. Д.

Ионные кристаллы (NaCl, KBr, KCl) имеют кристаллическую структуру. Узлами пространственной решетки являются чередующиеся ионы разных знаков.В ионных кристаллах нельзя различить отдельные молекулы. Их нужно рассматривать как систему из двух подрешеток — положительной и отрицательной.

Кристаллическая решетка соли

• III. Типы поляризации.
  Диэлектрическая поляризация — это процесс ориентации или появления диполя под действием электрического поля, ориентированного вдоль полевых диполей.
  (Возникновение дипольного момента в диэлектрике называется поляризацией)
  В результате поляризации молекула приобретает дипольный момент, который пропорционален полю

где α — поляризуемость молекулы (характеризует «отклик» молекулы на электрическое поле).α — характеристика атома или иона.

В качестве величины, характеризующей степень поляризации диэлектрической поляризации вектора взят — дипольный момент на единицу объема (или плотность дипольного момента)

где — дипольный момент одиночной молекулы, — полный дипольный момент объема V.

Три типа диэлектрика соответствуют трем типам диэлектрической поляризации

• Электронная поляризация — возникновение дипольного момента у неполярных молекул.Электронная поляризация из-за смещения электронной орбиты атома относительно ядра во внешнем поле.

Ионная поляризация — возникновение дипольного момента в ионных кристаллах, вызванное смещением подрешеток положительных ионов вдоль поля, а отрицательного — против поля.

• Ориентационная (дипольная) поляризация — возникновение дипольного момента в диэлектрике с полярными молекулами из-за ориентации дипольных моментов молекул в направлении поля.

• IV. Бесплатные и связанные расходы

  Заряды, которые при внешнем электрическом поле могут свободно перемещаться по проводнику и не связаны с ионами кристаллической решетки, называются свободными.

  Заряды являются частью молекулы, которая под действием внешнего поля лишь незначительно смещается из своего положения равновесия, и покинуть молекулы не могут, как говорят, связаны.

  § 2 Напряженность поля в диэлектрике.

  В изотропном диэлектрике вектор поляризации линейно зависит от поля

, где χ — диэлектрическая восприимчивость вещества, показывает, как диэлектрический отклик (воспринимаемый) на внешнее электрическое поле.
α — характеристика отдельной молекулы (или иона), χ — характеристика диэлектрика, т. Е. Характерного вещества в целом.χ не зависит от и

в слабых полях. χ — безразмерный

Если между пластинами пластинчатого конденсатора поместить слой диэлектрика, результирующая поляризация положительных зарядов в диэлектрике будет смещена в поле, а отрицательных — против поля, а в правой части (на рисунке) и возникнет. там избыток положительных, а с левой стороны — избыток отрицательных зарядов с поверхностной плотностью + σ ‘и -σ’.Эти заряды создают внутри диэлектрической пластины однородное поле, напряженность которого равна теореме Гаусса

.

где — поверхностная плотность связанных зарядов.

За пределами диэлектрика. Внешнее поле и внутреннее направлены навстречу друг другу, поэтому внутри диэлектрика

За пределами диэлектрика.

Определяем поверхностную плотность связанных зарядов.Полный дипольный момент диэлектрической пластины

, где S, — площадь лицевой панели, d — ее толщина. С другой стороны, полный дипольный момент равен

где Q ‘- связанный заряд каждой грани, d — диполь плеча.

или

Поверхностная плотность связанных зарядов равна поляризованной (поляризационной) P .
Тогда поле внутри диэлектрика

Безразмерная величина, называемая диэлектрической проницаемостью. ε показывает, во сколько раз диэлектрическое поле ослабляется, описывая количественные свойства диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

§ 3 Электрический смещение.
Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике .

Для описания электрического поля, в частности, в диэлектрике, вводим вектор электрического смещения (вектор электростатической индукции) , равный

Результирующее поле описывается вектором диэлектрической проницаемости. зависит от свойств диэлектрика (от ε). Вектор описывает электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами.Связанные заряды, возникающие в диэлектрике, могут вызывать перераспределение свободных зарядов вверх по полю. Следовательно, вектор описывает электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами (то есть в вакууме), но при этом их распределение в пространстве, которое при наличии диэлектрика.
Силовые линии векторов могут начинаться и заканчиваться как в свободных, так и связанных зарядах. Силовые линии векторов — только свободные. Через область поля, где связаны заряды, силовые линии являются векторными без прерывания.

Векторный поток через любую замкнутую поверхность

Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике:

Поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике через любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме свободных электрических зарядов внутри этой поверхности:

В чем разница между AP Physics 1, 2 и C?

AP Физика 1

Курс AP Physics 1 эквивалентен первому семестру курса физики в колледже на основе алгебры.Это самый вводный из вариантов AP Physics, который охватывает ньютоновскую механику (включая вращательное движение), работу, энергию, мощность, механические волны и звук, а также вводные простые схемы.

Из-за того, что в классе уделяется большое внимание обучению на основе запросов, 25% учебного времени посвящается практической лабораторной работе, когда студенты задают вопросы, делают наблюдения и прогнозы, планируют эксперименты, анализируют данные и выстраивают аргументы в условиях совместной работы.

Формальных требований к AP Physics 1 нет, но если вы хотите его пройти, вам нужно будет закончить геометрию и одновременно пройти курс Алгебры II или эквивалентный курс, чтобы понять вычисления, необходимые для курсовой работы.

Как выглядит первый экзамен AP Physics?

Длина: 3 часа

Раздел 1: 50 вопросов с несколькими вариантами ответов, 1,5 часа, 50% от вашего общего балла

Раздел 2: 3 вопроса с краткими ответами, 1 вопрос по экспериментальному дизайну, 1 вопрос о количественном / качественном переводе, 1,5 часа, 50% от вашей общей суммы

АП Физика 2

Курс AP Physics 2 эквивалентен курсу физики в колледже на основе алгебры, охватывающему статику и динамику жидкости, термодинамику с кинетической теорией, фотоэлектрические диаграммы и вероятность, электростатику, электрические цепи с конденсаторами, магнитные поля, электромагнетизм, физику. геометрическая оптика, квантовая, атомная и ядерная физика.

Как и в AP Physics 1, ожидается, что студенты потратят 25% учебного времени на лабораторные исследования, основанные на запросах, во время которых вы будете проводить наблюдения и делать прогнозы, разрабатывать эксперименты, анализировать данные и строить аргументы в рамках совместной работы.

Прежде чем вы начнете AP Physics 2, вам нужно будет закончить AP Physics 1 или аналогичный вводный урок физики. Вы также должны были принять или принимать одновременно прекалькул или его эквивалент.

Как выглядит экзамен AP Physics 2?

Длина: 3 часа

Раздел 1: 50 вопросов с несколькими вариантами ответов, 1,5 часа, 50% от вашего общего балла

Раздел 2: 2 вопроса с краткими ответами, 1 вопрос по экспериментальному дизайну, 1 вопрос о количественном / качественном переводе, 1,5 часа, 50% от вашей общей суммы

AP Physics C: Механика

AP Physics C: Mechanics является эквивалентом курса физики первого семестра в колледже, основанного на вычислениях.Чаще всего это делается в течение всего учебного года, но в средних школах, которые предлагают блочное расписание, иногда можно пройти в течение одного семестра. Этот класс охватывает кинематику, законы движения Ньютона, системы частиц и линейный импульс, круговое движение и вращение, колебания и гравитацию, а также работу, энергию и мощность с использованием дифференциального и интегрального исчисления на протяжении всего курса.

Курс также в значительной степени ориентирован на научную практику, и поэтому студенты тратят минимум 20% учебного времени на практическую лабораторную работу.

Для этого класса нет никаких формальных требований, но перед тем, как сдавать AP Physics C: Mechanics, студенты должны быть подготовлены к работе на уровне колледжа по математике и должны как минимум пройти или одновременно изучать математику.

Как выглядит экзамен AP Physics C: Mechanics?

Продолжительность: 1,5 часа, предлагается непосредственно перед экзаменом AP Physics C: Electricity and Magnetism, хотя студенты не обязаны сдавать оба

Раздел 1: 35 вопросов с несколькими вариантами ответов, 45 минут, 50% от вашего общего балла

Раздел 2: 3 вопроса с короткими ответами, 45 минут, 50% от вашего общего балла

AP Physics C: Электричество и магнетизм

AP Physics C: Electricity and Magnetism — это курс высочайшего уровня по физике AP.Он следует за AP Physics C: Mechanics и часто предлагается в качестве курса второго семестра для студентов, окончивших AP Physics C: Mechanics в первом семестре.

Класс AP Physics C: Electricity and Magnetism охватывает электростатику, проводники, конденсаторы и диэлектрики, электрические цепи, магнитные поля и электромагнетизм с использованием дифференциального и интегрального исчисления на протяжении всего курса.

Курс также в значительной степени ориентирован на научную практику, и поэтому студенты тратят минимум 20% учебного времени на практическую лабораторную работу.

Совет колледжа настоятельно рекомендует пройти курс физики AP Physics C: Electricity and Magnetism в качестве второго курса физики. Учащиеся должны быть готовы к работе по математическому анализу на уровне колледжа и должны, как минимум, пройти или одновременно заниматься математическим анализом.

Как выглядит экзамен AP Physics C: Electricity & Magnetism?

Продолжительность: 1,5 часа, предлагается сразу после экзамена AP Physics C: Mechanics, хотя студенты не обязаны сдавать оба

Раздел 1: 35 вопросов с несколькими вариантами ответов, 45 минут, 50% от вашего общего балла

Раздел 2: 3 вопроса с короткими ответами, 45 минут, 50% от вашего общего балла

Какой класс физики AP вам выбрать?

Обдумывая, какой курс AP Physics вам следует выбрать, не забудьте рассмотреть свои классы в контексте вашего предполагаемого пути в колледж.Физика 1 и 2 подходят для студентов, желающих изучать естественные науки, премедицину и некоторые прикладные науки, а также другие области, не связанные напрямую с наукой. Эти классы также лучше подходят для общего интереса или неопределенных специальностей, которые хотят установить свои способности в научно-обоснованной курсовой работе.

Physics C, однако, является более продвинутым курсом и подходит для студентов, планирующих специализироваться или специализироваться в области физических наук или продолжить карьеру в инженерии.Каждый курс AP Physics C эквивалентен одному семестру вводных, основанных на расчетах, курсов физики в колледже и поможет начинающим инженерам или физикам двигаться к их целям.

Хотя это возможно, посещение всех четырех классов AP Physics необязательно для достижения вашей долгосрочной карьеры или целей в колледже. Студентам, которые намерены изучать науки о жизни, доврачебную подготовку или общие исследования, лучше всего брать AP Physics 1 и AP Physics 2, если им это нравится или они особенно успешны в этой области.

Студентам, которые заинтересованы в карьере или специальности в этой области, лучше всего брать классы AP Physics C, особенно если им удастся пройти оба курса в течение одного учебного года, тем самым оптимизируя процесс.

Ищете помощь со школьным курсом в колледж? Загрузите наше бесплатное руководство для девятиклассников и наше бесплатное руководство для десятиклассников. Наши гиды подробно расскажут о предметах, начиная от академиков , выбирая курсы , стандартизированных тестов , внеклассных занятий , и многих других !

Хотите получить бесплатный доступ к экспертным рекомендациям колледжа? Создав бесплатную учетную запись CollegeVine, вы узнаете свои реальные шансы на поступление, составите список наиболее подходящих школ, узнаете, как улучшить свой профиль, и получите ответы на свои вопросы от экспертов и коллег — и все это бесплатно.