4.1 ELEKTRIČNO POLJE

KAZALO

   

 

4.1.5. NEPREVODNA SNOV V ELEKTRIČNEM POLJU

     
Poskus 4.1.5.1:
 

HITRE POVEZAVE

Dielektrik in električno polje

Električni dipol

Elektronska polarizacija

Dielektrik v električnem polju

Vektor gostote električnega pretoka

 

SLIKA

Slika 4.1.5.1: Neprevodna snov v električnem polju

 

SLIKA

Slika 4.1.5.2: Vpliv izolanta na električni pretok

 

SLIKA

Slika 4.1.5.3: Izmenična polarizacija dielektrika

 

ANIMACIJA

Animacija 4.1.5.1: Neprevodna snov v električnem polju

 

ANIMACIJA

Animacija 4.1.5.2: Enačba za naelektren vodnik

 

ANIMACIJA

Animacija 4.1.5.4: Enačba za naelektreno kovinsko ploščo

 

ANIMACIJA

Animacija 4.1.5.4: Enačba za naelektreno kroglo

 

ANIMACIJA

Animacija 4.1.5.5: Coulombov zakon

 

ANIMACIJE

Izpeljava enačbe za naelektren vodnik 1

Izpeljava enačbe za naelektren vodnik 2

Izpeljava enačbe za naelektreno kovinski ploščo

Izpeljava enačbe za naelektreno kroglo

Izpeljava coulombovega zakona

 
       
 

S povečanjem elektrine na kovinskih ploščah se je povečal tudi električni pretok med ploščama. Ker pa električne napetosti (vzroka za naelektrenje) med poskusom nismo spreminjali, lahko sklepamo:

     
       
 
► 

Neprevodne snovi (izolanti) krepijo električni pretok.

 
       
 

Pri pojasnjevanju ugotovitev poskusa 4.1.5.2 si lahko pomagamo s slikami 4.1.5.2 a, b in c.

     
       
  Dielektrična polarizacija    
       
 

V izolantu, ki ni v električnem polju (sl. 4.1.5.2.a), se težišči pozitivne elektrine jedra in negativne elektrine elektronskega ovoja atomov prekrivata, zato so atomi navzven električno nevtralni. Ko pa izolant vstavimo v električno polje (sl. 4.1.5.2.b) se pod vplivom električnih sil težišči elektrin atomov elastično ločita. Tak atom za svojo okolico ni več električno nevtralen.

     
       

Električno polje polarizira atome izolantov (slika).
Polariziranim atomom izolantov pravimo električni dipoli.  

Preoblikovanju nevtralnih atomov izolantov v električne dipole s pomočjo električnega polja pravimo dielektrična1 polarizacija!

 

 
       
 

Pri nekaterih snoveh, npr. vodi, imamo pojav električnih dipolov na ravni molekule in sicer tudi, če snov ni v električnem polju.

     
       
 

Usmerjeni dipoli izolanta prispevajo dodatni električni pretok, ki pritegne dodatno elektrino na kovinski plošči (sl. 4.1.5.2.d).

     
       
 
► 

Vzrok krepitve električnega pretoka v izolantih je dielektrična polarizacija atomov in molekul izolanta.

Izolante z izrazito dielektrično polarizacijo imenujemo dielektriki.  

 
       
 

Povečanje elektrine na kovinskih ploščah z dielektriki koristimo, kot bomo spoznali, za povečanje kapacitivnosti kondenzatorjev.

     
       
 

Če pa na kovinski plošči priključimo izmenično napetost, dobimo med ploščama izmenično električno polje, ki v notranjosti izolanta povzroči izmenično dielektrično polarizacijo. Posledica te je majhen izmenični tok v izolantu (sl. 4.1.5.3) in segrevanje izolanta. Takšno spreminjanje električne energije v toplotno je lahko koristno (varjenje umetnih snovi, sušenje lakiranih površin, mikrovalovne pečice ... ) ali škodljivo (npr. izgube energije v dielektriku kondenzatorja).

     
       
       
Dielektričnost (ε)    
     
 

Krepitev električnega pretoka je zanimiva in lahko tudi koristna lastnost dielektrikov, zato jo spoznajmo nekoliko bolj. Najprej pa se seznanimo s povezavo med električno poljsko jakostjo E in gostoto električnega pretoka D v praznem prostoru:

     
       
 
► 

V praznem prostoru je gostota električnega pretoka Do premo sorazmerna z električno poljsko jakostjo E in konstanto dovzetnosti praznega prostora za električni pretok εo.

 
       
 
Do 
 εo· E
As

m2
εo 
As

Vm
=
F

m
 ; 
 E
 
V

m
   
 

Enačba 4.1.5.1

   
       
 

Konstanta dovzetnosti praznega prostora za električni pretok εo pove, kolikšno gostoto električnega pretoka v praznem prostoru povzroči enota električne poljske jakosti. Imenujemo jo dielektričnost praznega prostora, njena vrednost pa je ugotovljena z meritvijo:

     
       
 
εo  =  8,85 · 10-12 
As

Vm
   
 

Enačba 4.1.5.2

   
       
 

Če v električno polje vstavimo neprevodno snov, bo električni pretok sestavljen iz dveh delov:

     
       
 
  1. iz električnega pretoka praznega prostora in
  2. iz električnega pretoka, ki ga prispeva dielektrična polarizacija neprevodne snovi
   
Gostoto tako okrepljenega električnega pretoka zapišemo v obliki:    
     
  D = εr· Do  ali z upoštevanjem enačbe 4.1.5.1:    
       
 
Do 
 εr · εo· E
As

m2
εo 
As

Vm
  
 
 ; 
E
V

m
   
 

Enačba 4.1.5.3

   
       
 

Faktor εr je faktor krepitve gostote električnega pretoka z dielektrikom. Pove, kolikokrat je gostota električnega pretoka v izolacijski snovi pri isti električni poljski jakosti večja od gostote pretoka v praznem prostoru. Imenujemo ga relativna dielektričnost. Nekaj primerov relativnih dielektričnosti podaja preglednica 4.1.2.

     
       
 

Preglednica 4.1.5.1: Relativna dielektričnost snovi

   
 

 

Snov

εr

  prazen prostor 1
 

zrak

1,0006 ≈ 1
  polistirol 2,5
  steklo 7,5
  aluminijev oksid 8
  destilirana voda 80
  berilijev titanat (keramika) 7500
   
       
 

Produktu dielektričnosti praznega prostora in relativne dielektričnosti dielektrika pravimo kar dielektričnost dielektrika (ε).

     
       
 
ε  =
εr · εo
As

Vm
εo 
As

Vm
 
 ; 
 εr = število brez dimenzij
 
 
   
 

Enačba 4.1.5.4

   
       
 

Dielektričnost je, podobno kot specifična električna upornost, snovna lastnost. Iz preglednice 4.1.2 je razvidno, da se zrak po dovzetnosti za električni pretok praktično ne razlikuje od praznega prostora (εr ≈ 1 → εεo · 1 ≈ εo) medtem ko drugi izolanti krepijo električni pretok tudi večtisočkratno. Molekularni dielektriki imajo praviloma veliko večje relativne dielektričnosti od dielektrikov, v katerih nastanejo električni dipoli le pod vplivom električnega polja.

     
       
       
Primer:
 
 
       
       
       
     
 

1 di (lat.) = dve, electrum (lat.) = elektrika