В нашей повседневной жизни мы сталкиваемся с множеством элементов, которые являются диэлектриками - текстиль, бумага, стекло, керамика и другие материалы. Диэлектрики обладают свойствами, которые позволяют им не проводить электрический ток. Но почему это происходит?
Для начала стоит вспомнить, что электрический ток - это движение заряженных частиц внутри материала. В простых металлических проводниках этими заряженными частицами являются электроны. В диэлектриках же, в отличие от металлов, заряды находятся в несвободных состояниях. Чтобы понять, почему это так, нужно разобраться в основных свойствах диэлектриков.
Одно из основных свойств диэлектриков - это то, что они обладают очень низкой электропроводностью. Для сравнения, медь, которая является хорошим проводником, имеет электропроводность порядка 5,96 10^7 с/Ом. В то же время, электропроводность диэлектриков порядка 10^-20 - 10^-14 с/Ом. Это связано с тем, что в диэлектриках отсутствуют свободные электроны, готовые к движению по материалу, как это происходит в металлах.
Вместо этого в диэлектриках заряды находятся в атомах или молекулах материала. Для того чтобы электроны могли двигаться по материалу, необходимо, чтобы они имели свободные места для передвижения. В металлах электроны могут двигаться, потому что они находятся в зоне проводимости. В диэлектриках же заряды находятся в зонах запрещенных состояний, где свободных мест для электронов нет.
Однако, в диэлектриках есть один интересный механизм, который может позволить электронам двигаться внутри материала. Этим механизмом является поляризация. Когда электрическое поле действует на диэлектрик, заряды, находящиеся внутри материала, начинают смещаться в направлении поля. Это значит, что на одной стороне материала появляется отрицательный заряд, а на другой стороне - положительный. Это явление называется поляризацией и оно может создавать электрические диполи.
Электрический диполь - это две равные заряды, разделенные некоторым расстоянием. Диполи, создаваемые поляризацией в диэлектрике, выстраиваются в материале таким образом, что они создают электрическое поле, которое противодействует внешнему полю. Когда внешнее поле перестает действовать на диэлектрик, диполи возвращаются в свои исходные положения, а материал возвращается в свой первоначальный состав. Таким образом, поляризация вносит некоторую поправку в проводимость диэлектриков, но все равно не позволяет им быть полноправными проводниками электрического тока.
Еще одно важное свойство диэлектриков - это высокая удельная емкость. Емкость - это характеристика того, насколько легко в материале можно накопить заряд. Диэлектрики могут быть отличными диэлектрическими материалами благодаря своей высокой емкости. Диэлектрики могут накопить большой заряд при помощи относительно небольшой разности потенциалов на их поверхности. Это свойство широко используется в конденсаторах, где диэлектрик разделяет два проводника.
Таким образом, наше понимание того, почему диэлектрики не проводят электрический ток, основывается на том, что внутри диэлектриков отсутствуют свободные электроны, готовые к движению по материалу. Вместо этого заряды находятся в атомах или молекулах материала. Кроме того, высокая удельная емкость диэлектриков позволяет им легко накапливать заряды, но не позволяет им действовать как полноправным проводникам электрического тока.
В заключении, диэлектрики - важный класс материалов, которые играют важную роль в нашей повседневной жизни. Многие из них используются как электрические изоляторы в проводах и электронных устройствах. Понимание того, почему они не проводят электрический ток, важно для их правильного применения и нахождения новых применений в будущем.