Przewodniki, izolatory i polaryzacja

You are currently viewing Przewodniki, izolatory i polaryzacja

Jak naelektryzować obiekt? Czym są przewodniki? Co to jest izolator? Jak działa polaryzacja? Czym są cząstki polarne? Co to jest podatność i przenikalność elektryczna? Zobaczmy jak ładunki zachowują się w materii.

Elektryzowanie obiektów

Omawiajc zagadnienia takie jak pole i napięcie elektryczne, traktowaliśmy ładunki tak jakby były zawieszone w pustej przestrzeni. Pomimo usilnych starań Tesli, nasze urządzenia do dziś nie są zasilane z powietrza, dlatego czas przyjrzeć się zachowaniu ładunków elektrycznych w ich rzeczywistym środowisku – materii wypełnionej atomami.

Najprostszym sposobem na przeniesienie ładunku elektrycznego z jednego obiektu na drugi jest wykorzystanie siły tarcia. Pocierając futrem o szkło sprawimy, że elektrony uciekną z powierzchni szkła (stanie się ono dodatnio naładowane) i osiądą na futrze (zyska ono ładunek ujemny). Dzięki temu oba obiekty zostaną naelektryzowane. Co jednak faktycznie dzieje się z ładunkami, które przenieśliśmy?

W artykule na temat Prawa Coulomba pokazałem, że jednoimienne ładunki elektryczne zawieszone w próżni będą się odpychać w zasadzie w nieskończoność. Obiekty fizyczne to jednak ciała o ograniczonym obszarze. Załóżmy, że naelektryzowaliśmy obiekt o kształcie kuli, przenosząc na jego powierzchnię kilka elektronów. Jak zachowają się owe ładunki przy ograniczonej swobodzie ruchu?

Ładunki elektryczne zamknięte w kuli
Zamknięte ładunki elektryczne będą starały się uciec jak najdalej od siebie

Elektrony będą się rzecz jasna odpychać, ale tylko do momentu aż dotrą do granicy obiektu. Po jej osiągnięciu nie będą się dalej poruszać – jakikolwiek ruch, w lewo czy w prawo, będzie niemożliwy z powodu sił odpychania sąsiednich ładunków. Czy tak jest tylko w przypadku ładunków zamkniętych w kuli? Okazuje się, że nie. Obiekt może być okrągły, prostokątny, a nawet kompletnie nieforemny. Zgromadzony na naelektryzowanym obiekcie ładunek osiądzie zawsze w pobliżu powierzchni. Warstwa tak zgromadzonego ładunku ma zazwyczaj grubość rzędu 10-10 m.

ładunki elektryczne zamknięte w dowolnym kształcie
Kształt nie ma w tym wypadku znaczenia. Ładunek zawsze ucieknie na powierzchnię obiektu.

Ładunki w materii

Przy pomocy siły tarcia lub fizycznego zetknięcia się obiektów jesteśmy w stanie sprawić, by ładunki (najczęściej elektrony) zmieniły właściciela. I choć wymaga to nieco pracy, to jesteśmy w stanie w ten sposób naelektryzować niemal każdy obiekt. Czy da się to zrobić inaczej? Na przykład bezprzewodowo?

Materia wykonana jest z atomów, a te składają się z równej liczby elektronów (ładunków ujemnych) i protonów (ładunków dodatnich). Każdy obiekt fizyczny jest zatem po brzegi wypełniony ładunkami. Identyczna liczba ładunków dodatnich i ujemnych sprawia, że cała materia wokół nas jest z natury elektrycznie neutralna, o czym szerzej pisałem w pierwszym artykule o atomach.

atomy są elektrycznie neutralne
Metalowa i plastikowa kostka są elektrycznie obojętne. Tak samo jest z każdym innym materiałem.

Na każdy ładunek znajdujący się w zasięgu działania pola elektrycznego, działa siła Coulomba, co przedstawiłem w artykue na temat pola elektrycznego. Zobaczmy co stanie się, gdy polem takim otoczymy nie ładunek elektryczny, a sporych rozmiarów, neutralny obiekt. Spróbujmy wytworzyć takie pole w pobliżu dwóch kostek, wykonanych z różnych materiałów:

elektryzowanie przez indukcję
Umieszczenie obiektu w polu elektrycznym wpływa na jego wewnętrzny rozkład ładunku

Aby wytworzyć pole elektryczne, wystarczą dwie przeciwnie naładowane płytki – różnica potencjałów między nimi gwarantuje istnienie pola elektrycznego. Linie pola przenikają obiekty, a cząstki w nich zawarte na owe pole reagują. Zjawisko to nazywa się indukcją elektrostatyczną. W przypadku metalu efekt jest bardzo wyraźny. Po obu stronach kostki zgromadził się spory ładunek, podczas gdy kostka plastikowa zareagowała dość niechętnie. Sprawdźmy co odróżnia od siebie te obiekty i co tak naprawdę stało się wewnątrz obu sześcianów.

Czym jest przewodnik?

Obiekty, których cząsteczki silnie oddziałują z polem elektrycznym nazywa się przewodnikami. Wyróżniamy przewodniki metaliczne (a więc wszelkiej maści metale) oraz jonowe (np. słona woda, elektrolit akumulatorowy). Co dzieje się z przewodnikiem pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego?

Charakterystyczny dla metali jest fakt, że ich atomy są dość gęsto upakowane i silnie ze sobą związane, tworząc tzw. struktury krystaliczne. Dodatkowo unikalną ich cechą jest fakt, że elektrony z ostatniej powłoki (najbardziej oddalone od jądra, zwane walencyjnymi) są niezwykle słabo związane z atomem i mogą z łatwością przeskakiwać między sąsiednimi cząsteczkami w strukturze.

Elektrony walencyjne metali mogą z łatwością przeskakiwać między sąsiednimi atomami

Przemieszczanie się elektronów walencyjnych jest zjawiskiem iście masowym. Każdy atom w metalu posiada jeden lub dwa takie ,,wolne elektrony”, które odrywają się od niego i, podróżując swobodnie po strukturze, tworzą tzw. chmurę elektronową na powierzchni materiału. To właśnie zjawisko odpowiedzialne jest za widoczny metaliczny połysk.

Strukturę metalu możemy zatem traktować jako szereg ściśle związanych ładunków dodatnich, otoczonymi przez chmurę ładunków ujemnych. Mimo, że panuje tutaj niewielki chaos, to ogólny bilans ładunku się zgadza. Protonów jest w całej strukturze tyle samo co elektronów. Metal jako całość jest zatem mniej więcej elektrycznie neutralny.

przewodnik pod wpływem napięcia
Przewodnik metaliczny: a) nienaelektryzowany, b) pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego

W momencie pojawienia się pola elektrycznego, na wszystkie cząstki w metalu zaczyna działać siła Coulomba. Jest ona zbyt mała, by w jakikolwiek sposób wpłynąć na silnie związane atomy. Inaczej sprawa wygląda z ,,wolnymi elektronami”. Pole elektryczne zmusza je do podążania w stronę wysokiego potencjału. Elektrony lokują się po jednej stronie przewodnika, gdzie z powodu dużej ich ilości zagęszcza się ładunek ujemny. Po drugiej stronie kostki elektronów brakuje i pozostawione atomy tworzą obszar ładunku dodatniego.

Pole elektryczne wewnątrz przewodnika

Elektrony w przewodniku pędzą w stronę potencjału wysokiego, ale efekt ten nie trwa wiecznie. Nagromadzenie ich sporej ilości na jednej ze ścian kostki powoduje wzrost ładunku ujemnego w tym obszarze. Kolejnym elektronom coraz trudniej przemieścić się w pobliże ściany, gdyż są coraz silniej odpychane przez ładunki, które dotarły tam wcześniej.

Fachowo możemy powiedzieć, że napływające elektrony zaczęły wytwarzać nowe, wewnętrzne pole elektryczne (patrz rysunek poniżej, część a). Im więcej ładunków po jednej stronie, tym pole to jest silniejsze. W końcu nastanie moment, w którym natężenie pola wewnętrznego zrówna się z natężeniem pola zewnętrznego. Innymi słowy, działania obu pól zniwelują się nawzajem i wypadkowe pole w przewodniku będzie równe zero. Jeśli nie ma pola elektrycznego, nie ma też siły Coulomba zdolnej przemieszczać kolejne ładunki. W ten sposób uzyskaliśmy stan równowagi.

pole elektryczne wewnątrz przewodnika
Pole elektryczne wewnątrz przewodnika jest zawsze zerowe

Wiemy, że elektrony zawsze podążają za wyższym potencjałem. Skoro w punkcie równowagi efekt pola zewnętrznego jest niwelowany, a elektrony przestają się poruszać, to możemy wywnioskować, że potencjał w całym przewodniku się wyrównał. Może się to wydawać sprzeczne z intuicją. W artykule o napięciu elektrycznym. pisałem, że tam gdzie występuje różnica ładunku, tam musi istnieć napięcie elektryczne. Skoro w przypadku przewodnika po jednej jego stronie mamy ładunek dodatni, a po drugiej ujemny, to dlaczego napięcia nie ma?

Powodem jest rzecz jasna zewnętrzne pole elektryczne. Dopóki go nie było, ładunki rozmieszczone były mniej więcej równomiernie i potencjał w każdym punkcie przewodnika był stały. Zjawisko indukcji sprawia, że przewodnik odczuwa zewnętrzne napięcie elektryczne tak, jak gdyby występowało ono tuż przy jego powierzchni. Kiedy tylko elektrony wyczuły, że z powodu zewnętrznego pola potencjał powierzchni został zakłócony, natychmiast pomknęły, by efekt ten zniwelować i na powrót móc cieszyć się wyrównanym potencjałem. Nam wydaje się, że ładunek nie jest wyrównany w całym przewodniku, jednak z punktu widzenia przewodnika to jest właśnie punkt równowagi. Gdybyśmy teraz zewnętrzne pole nagle wyłączyli, elektrony uciekły by z powrotem w głąb przewodnika i potencjał zostałby ponownie wyrównany. Przewodnik zawsze dostosuje się do warunków zewnętrznych i robi to w mgnieniu oka (efekt jest niemal natychmiastowy).

Czym jest izolator?

Przewodniki potrafią całkiem nieźle radzić sobie z zewnętrznym polem elektrycznym. Jednak w przypadku materiałów takich jak szkło, guma, drewno czy pokazana wcześniej plastikowa kostka, sprawa nie wygląda już tak dobrze.

Izolatory (lub bardziej fachowo dielektryki) to materiały, których elektrony są silnie związane z atomami i cząsteczkami. W praktyce oznacza to, że nie mogą się one niemal w ogóle przemieszczać. Oczywiście odpowiednio duża siła jest w stanie rozmontować nawet najbardziej związane atomy, jednak izolatory są pod tym względem około 10^{20} razy oporniejsze od przewodników. Skoro elektrony w izolatorze nie mogą się przemieszczać, to co sprawiło, że plastikowa kostka mimo wszystko delikatnie zareagowała na zewnętrzne pole elektryczne?

Polaryzacja atomów

To, że ładunki izolatora nie mogą się poruszać nie oznacza, że nie mogą się na przykład rozciągać. Spójrzmy co dzieje się z pojedynczym atomem dielektryka pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego.

polaryzacja elektronowa
Pod wpływem pola elektrycznego na elektrony i jądro atomowe działa siła ,,rozciągająca” atom

Nasz przykładowy atom widoczny powyżej znajduje się pod wpływem różnicy potencjałów, pochodzącej od dwóch przeciwnie naładowanych płytek. Wiemy, że atom jako całość jest cząstką neutralną elektrycznie, jednak ładunki z których się składa już nie. W efekcie elektrony przyciągane są przez wysoki potencjał, zaś jądro atomowe przez potencjał niski. Siła przyciągania nie jest duża, ale wystarczająca, by spowodować delikatne przesunięcie ładunków względem centralnej osi atomu. W ten sposób po obu jej stronach powstaje różnica ładunku.

polaryzacja atomu
Pod wpływem pola elektrycznego następuje nagromadzenie ładunków po obu stronach atomu

Efekt ten nazywa się polaryzacją elektronową. Dzięki niej neutralny z początku atom staje się dipolem elektrycznym, a więc układem dwóch przeciwnych ładunków, oddalonych od siebie na niewielką odległość. Dipol przedstawiałem w bardziej obrazowy sposób w artykule o polu elektrycznym. Jeżeli pod wpływem działania pola umieścimy większych rozmiarów dielektryk, to wszystkie jego atomy podlegają powyższemu efektowi i stają się dipolami. Jako, że polaryzacja każdego atomu ma ten sam kierunek, to możemy uznać, że cały dielektryk zostaje spolaryzowany.

polaryzacja dielektryka
Dielektryk składa się z neutralnych elektrycznie atomów, które pod wpływem pola elektrycznego stają się dipolami

Czy polaryzacja dielektryka wpływa jakoś na pole elektryczne? Oczywiście, że tak. Efekt nie jest może tak imponujący jak w przewodnikach, gdzie pole jest zupełnie niwelowane, ale spolaryzowany izolator zdecydowanie redukuje natężenie zewnętrznego pola. O tym w jaki sposób możemy efekt ten wykorzystać, powiemy sobie przy innej okazji.

Cząstki polarne

Polaryzacja kulistego atomu to dopiero wierzchołek góry lodowej. Wiele dielektryków zbudowanych jest z cząsteczek wieloatomowych, o przeróżnych kształtach i rozmiarach. To, w jakim stopniu spolaryzujemy takie obiekty zależy w dużej mierze od kierunku pola elektrycznego. Innym zagadnieniem jest też polaryzacja dielektryków zbudowanych z jonów. W tym przypadku pod wpływem pola elektrycznego jony przemieszczają się w kierunku odpowiednich potencjałów. Jony to cząsteczki dość masywne, dlatego efekt ten jest dość powolny.

Wszystkie opisane wyżej przypadki łączy jedno – jeśli wyłączymy pole elektryczne to efekt polaryzacji zniknie. Istnieje jednak grupa cząstek, które z powodu swojej budowy są naturalnie spolaryzowane. Efekt ten utrzymuje się bez względu na to czy znajdują się one pod działaniem zewnętrznego pola, czy nie. Obiekty takie nazywamy cząstkami polarnymi, a zalicza się do nich chociażby świetnie wszystkim  znana woda.

cząsteczka polarna
Woda jest przykładem cząsteczki polarnej

Molekuła wody (H_2O) to cząsteczka złożona z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Charakterystyczne wodorowe „uszy” sprawiają, że na górze cząsteczki znajduje się większy ładunek dodatni niż na dole. Cząsteczkę wody możemy zatem traktować jako naturalny dipol elektryczny. Skoro woda z natury jest spolaryzowana, to czy pole elektryczne w ogóle na nią wpływa?

Pokażmy to na przykładzie zbiornika z wodą. Mimo, że wszystkie cząsteczki (H_2O) w takim zbiorniku są spolaryzowane, to zbiornik jako taki pozostaje elektrycznie neutralny. Spowodowane jest to całkowicie losowym ułożeniem molekuł. Małe wodne dipole skierowane są w zupełnie różnych kierunkach i ich efekty polaryzacji znoszą się nawzajem.

polaryzacja wody
Początkowo chaotycznie ułożone cząsteczki wody, pod wpływem pola elektrycznego orientują się w tym samym kierunku

Zgodnie z prawem Coulomba, na ładunki otoczone polem elektrycznym musi działać siła i to samo dzieje się z wodą. Gdy mieliśmy do czynienia z nieruchomymi atomami, jedyną możliwością było ich rozciągnięcie. Woda nie ma tego problemu, gdyż jej molekuły mogą swobodnie się przemieszczać. Siła Coulomba sprawi, że zaczną się one obracać, a efekt ten nazywa się polaryzacją orientacyjną. Po pewnym czasie wszystkie cząsteczki ułożoną się mniej więcej tak samo i w rezultacie cały zbiornik zostanie spolaryzowany. Oczywiście jeśli pole elektryczne wyłączymy, to po pewnym czasie przywrócony zostanie chaotyczny układ molekuł.

Polaryzowalność i podatność elektryczna

Artykuł na temat teorii elektryki bez odrobiny matematyki byłby niekompletny. Zastanówmy się w jaki sposób określić, ile izolatora jest w izolatorze. Wszak nie każdy materiał tak samo łatwo poddaje się polaryzacji i jeśli chcemy skorzystać z zalet tego zjawiska, to musimy być w stanie określić jakość dielektryka.

Wróćmy do polaryzowania pojedynczych atomów. Jak wspomniałem pod wpływem pola następuje wewnętrzne przesunięcie ładunku. Wówczas atom taki zyskuje własność zwaną momentem dipolowym, danym równaniem:

(1)   \begin{equation*} \vec{p} = q\cdot \vec{l} \end{equation*}

gdzie:
\vec{p} – moment dipolowy cząstki
q – wartość ładunków tworzących dipol
\vec{l} – odległość między ładunkami

Moment dipolowy określa stopień ,,rozciągnięcia” cząstki, a jego jednostką jest kulomb razy metr (C\cdot m). Im bardziej elektrony i jądro atomowe przesuną się względem siebie, tym moment dipolowy będzie większy. Oczywiście na ,,odkształcalność” atomu wpływ ma wiele czynników, jak chociażby rodzaj pierwiastka, czy siła z jaką próbujemy to robić. Bardzo zgrabnie te dwie wartości łączy inny wzór na moment dipolowy:

(2)   \begin{equation*} \vec{p} = \alpha \cdot \vec{E} \end{equation*}

Oprócz natężenia pola elektrycznego \vec{E} widzimy w powyższym wzorze również współczynnik \alpha, zwany polaryzowalnością atomową. Im wyższa polaryzowalność, tym łatwiej dany atom spolaryzować. Przykłady polaryzowalności kilku pierwiastków przedstawia poniższa tabela:

Rendered by QuickLaTeX.com

Polaryzowalność atomowa przewiduje z całkiem niezłym przybliżeniem zjawisko polaryzacji, ale tylko dla pojedynczych atomów. Biorąc pod uwagę, że dielektryk może składać się z miliardów takich atomów, a te będą oddziaływać na siebie nawzajem, to nasze obliczenia mogą okazać się dalekie od prawdy. W przypadku cząsteczek wieloatomowych sytuacja jest jeszcze gorsza, gdyż obliczenie ich momentu dipolowego wymaga rozwiązania całych układów równań. Dlatego też analizując dielektryk jako całą strukturę, lepiej jest wybrać inną drogę i zacząć od wielkości zwanej polaryzacją elektryczną.

(3)   \begin{equation*} \vec{P} = \epsilon_0 \chi_e \vec{E} \end{equation*}

gdzie:
\vec{P} – polaryzacja elektryczna
\epsilon_0 – przenikalność elektryczna próżni (o niej za chwilę)
\chi_e – podatność elektryczna dielektryka
\vec{E} – natężenie zewnętrznego pola elektrycznego

Polaryzacja elektryczna określa wartość momentu dipolowego na jednostkę objętości. Nie dotyczy zatem pojedynczych atomów, a opisuje całe ich skupiska, z uwzględnieniem wzajemnych oddziaływań. Wielkością, która jest w tym niezwykle pomocna jest \chi_e czyli podatność elektryczna. Wskazuje ona jak bardzo czuły na zewnętrzne pole elektryczne jest dielektryk. Jeżeli nigdy wcześniej nie słyszałeś o podatności, to nie ma powodu do zmartwień. Jest ona wielkością bliźniaczo podobną do znacznie bardziej popularnej przenikalności elektrycznej. Obie wielkości łączy proste równanie:

(4)   \begin{equation*} \chi_e = \epsilon_r - 1 \end{equation*}

Wielkość \epsilon_r jest jedną z najważniejszych wielkości w elektrostatyce, a nazywa się względną przenikalnością elektryczną. Jak widać nie ma wielkiego znaczenia czy posługujemy się podatnością czy przenikalnością. Kwestia zamiany jednej wielkości w drugą to jedynie odjęcie bądź dodanie jedynki. Dla próżni na przykład przenikalność \epsilon_r=1, a podatność elektryczna \chi_e=0. Podatność wykorzystuje się przede wszystkim w obliczaniu zdolności izolatora do polaryzacji, a także w niektórych zagadnieniach magnetostatyki, dlatego pozostawmy ją póki co jako ciekawostkę. Znacznie bardziej przyda nam się teraz przenikalność elektryczna, która odegra w kolejnych artykułach znaczącą rolę.

Różne przenikalności

Przenikalność określa stopień oddziaływania pola elektrycznego z danym ośrodkiem, a jej symbolem jest \epsilon. Najmniejszą wartość przenikalności ma próżnia. Wydaje się to dość logiczne, gdyż zgodnie z definicją, próżnia jest ośrodkiem pozbawionym wszelkich cząstek. Skoro nie ma cząstek, to nie ma też czego spolaryzować. Ta wyjątkowa cecha sprawiła, że przenikalność próżni urosła do miana osobnej stałej fizycznej \epsilon_0, której wartość wynosi w przybliżeniu:

(5)   \begin{equation*} \epsilon_0 = 8{,}841941283\cdot 10^{-12}\ \frac{\text{F}}{\text{m}} \end{equation*}

Gdybyśmy do ośrodka będącego próżnią zaczęli wrzucać cząsteczki, to przenikalność \epsilon takiej przestrzeni zaczęła by wzrastać. W teorii elektryki niezwykle rzadko posługujemy się bezwzględną wartością przenikalności. Zamiast tego przyjęło się każdy materiał przyrównywać do próżni na zasadzie: Ile razy łatwiej spolaryzować dany materiał od próżni? W ten sposób powstała względna przenikalność elektryczna \epsilon_r. W poniższej tabeli zawarto kilka przykładów przenikalności względnej:

Rendered by QuickLaTeX.com

Tabela pokazuje, że niemal wszystkie gazy są świetnymi izolatorami – i całe szczęście! Gdyby tak nie było, to przy każdym podejściu do słupa wysokiego napięcia raziłby nas ogromny prąd. Z drugiej strony całkiem łatwo jest spolaryzować wodę, co z resztą widzieliśmy kilka rozdziałów wcześniej. Na samym szczycie przenikalności znajdują się materiały zwane ferroelektrykami, które mają masę ciekawych właściwości, jak chociażby zachowanie polaryzacji nawet po zaniku pola elektrycznego. O tych materiałach na pewno jeszcze kiedyś coś napiszę.

Czy ta wiedza może się przydać?

Jeżeli do tego momentu zastanawiasz się po co tyle zamieszania o zanikające w przewodnikach pole elektryczne, polaryzację izolatorów i przenikalność elektryczną, to śpieszę z wyjaśnieniem. Wspomniane pojęcia są bezpośrednią przyczyną zjawisk, którymi będziemy zajmować się w następnych artykułach:

  • podtrzymując efekt przemieszczania elektronów w przewodnikach jesteśmy w stanie wytwarzać prąd elektryczny
  • zanikanie pola elektrycznego w przewodniku sprawia, że jego wnętrze jest odcięte od świata zewnętrznego – zjawisko to nazywa się ekranowaniem i jest powszechnie wykorzystywane w elektronice
  • izolatory z powodu braku ruchliwych ładunków uniemożliwiają przepływ prądu – jeśli chcemy powstrzymać prąd przed ucieczką, stosujemy izolację przewodnika
  • jeśli na drodze pola elektrycznego pojawi się izolator, wówczas pole to zostaje zredukowane. Dzięki temu jesteśmy w stanie znacząco zwiększać pojemność elektryczną, a więc ilość energii, jaką może zmagazynować kondensator.

Brzmi poważnie, prawda? I takie w istocie jest! Na dogłębną analizę powyższych i wielu innych skutków istnienia przewodników i izolatorów przyjdzie jeszcze czas. Tymczasem dzięki za przeczytanie niniejszego artykułu i w razie pytań zapraszam do komentowania!

Bibliografia

  1. Podstawy teorii pola elektromagnetycznego – Z. Piątek, P. Jabłoński, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa,
  2. Podstawy elektrodynamiki – David J. Griffith, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa,
SEPapka
Mobilny Niezbędnik Elektryka
Sprawdź!
Krótka Historia Elektryczności
A może chciałbyś przeczytać ciekawą książkę?
Pewnie!

Ten post ma 35 komentarzy

  2. Franciszek 15 kwi 2023 Odpowiedz

    „Dodatkowo unikalną ich cechą jest fakt, że elektrony z ostatniej powłoki (najbardziej oddalone od jądra, zwane walencyjnymi) są niezwykle słabo związane z atomem i mogą z łatwością przeskakiwać między sąsiednimi cząsteczkami w strukturze.” Z czego wynika to że w przewodnikach elektrony są słabo związane z jądrem a w izolatorach mocno?

  3. PAWEŁ 31 maj 2022 Odpowiedz

    Dziękuję za odpowiedz.
    Dokładnie sytuacja wyglądała tak że kilkanaście lat wstecz ktoś pokazywał mi na wkopanym uziemieniu niepodpiętym do niczego jak można nie posiadając miernika zbadać starym sposobem działanie uziemienia .Podłączył do fazy żarówkę 100watt i dotknął uziemienia a żarówka bardzo mocno świeciła .Instalacja była starego typu czterożyłowa a najbliższy trafo około 200mtr.Wiem że tak badać uziemienia nie można ale jest to dla mnie ciekawostka ponieważ raczej elektrony nie powróciły do trafo ze względu na odległość

    1. Artur Szulc 1 cze 2022 Odpowiedz

      Jak to mawiają elektrycy starszej daty: ,,Nie ma to jak żarówka”.
      Wiadomo, 200 metrów ziemi to duża rezystancja, a 100 watowa żarówka potrzebuje do świecenia sporo prądu. Jak wspominał elektryk: jest to sposób na badanie uziemienia, a więc prąd nie płynie całych 200 metrów ziemią, tylko kawałek, do najbliższego punktu uziemienia przewodu N (w przypadku 4-żyłowej instalacji PEN) i za jego pomocą wraca do trafo.

  4. PAWEŁ 30 maj 2022 Odpowiedz

    Witam,
    bardzo przystępnie napisane artykuły.
    Zastanawiam się jak wygląda przepływ elektronów w przypadku gdy do fazy podłączymy żarówkę a dugi przewód do wkopanego uziemienia nie podłączonego do sieci elektrycznej .Gdzie trafiają elektrony ,przecież żarówka świeci.

    1. Artur Szulc 31 maj 2022 Odpowiedz

      Żarówka może świecić dlatego, że druga strona fazy również jest połączona z ziemią, a więc obwód się zamyka. Aczkolwiek zamykanie go przez ziemię znacząco obniża płynący prąd i zbyt mocnej żarówki w ten sposób nie uruchomimy, stąd lepiej po prostu wykorzystać przewód neutralny.

  5. Bartosz 7 mar 2022 Odpowiedz

    W książce Instalacje Elektryczne Sławomira Kołodziejczyka (strona 12) autor pisze o stratach dielektrycznych. Wpisałem w wikipedii i widzę sporo wzorów bardzo trudnych. Nic z tego nie zrozumiałem, ale wydaje mi się że to ma coś wspólnego z tym co jest opisane w tym artykule. Nie chcę być natrętny , dlatego bardzo proszę o ewentualne kilka słów na ten temat , oczywiście jeśli coś na ten temat było na studiach automatyki. Jeśli było to przy okazji ciekawi mnie też , czy to jest ważne i czy coś się z tego pamięta 😀 Po prostu ciekawi mnie czy na studiach zawalają studentów tysiącami wzorów , choćby ze stratami dielektrycznymi i ile się z tego pamięta. Proszę się nie spieszyć z odpowiedzią, jak mówiłem nie chcę być natrętny:D

    1. Artur Szulc 8 mar 2022 Odpowiedz

      Straty dielektryczne wynikają z faktu, że nie ma izolatora idealnego. A więc z faktu, że każdy izolator przewodzi jakiś prąd. Straty te mają więc taki sam charakter (cieplny), jak w przypadku klasycznych przewodników. Dochodzi do tego jeszcze kwestia tłumienia fal EM, ale na moich studiach o falach mieliśmy niewiele.
      Zapewne więcej mógłby napisać ktoś, kto studiował kierunki związane z komunikacją i łącznością. Ja niestety więcej nie wiem, bo straty dielektryczna to dość wąski i specjalistyczny temat.

      1. Bartosz 8 mar 2022 Odpowiedz

        Mimo wszystko dzięki za wyjaśnienie 😀 Pan Kołodziejczyk pisał że polietylen ma mniejsze straty dielektryczne od polwinitu i przez to wykorzystuje się go w elektronice przy dużych częstotliwościach.Polietylen ma wyższą rezystywność od polwinitu więc gorzej przewodzi prąd , przez to mniej się nagrzewa i straty dielektryczne są mniejsze . Teraz wszystko jest przejrzyste, dziękuję jeszcze raz za wyjaśnienie, perfekcjonizm jest wrogiem wielu z nas, dlatego poprzestanę na tym wytłumaczeniu , jest wystarczające 😀

      2. Michał 21 maj 2022 Odpowiedz

        Pytanie odnośnie jakości izolatora. Mogę rozumieć to tak, że im lepsza zdolność izolatora do polaryzacji tym jest on gorszym izolatorem?

        1. Artur Szulc 23 maj 2022 Odpowiedz

          Niekoniecznie. Jakość przewodnika odnosi się do jego wytrzymałości elektrycznej, a nie ,,elastyczności”. Izolator może dać się silnie polaryzować, ale za to wytrzymać bardzo duże pole elektryczne. Wtedy wciąż jest bardzo dobrym izolatorem.

          1. Michał 30 maj 2022

            Dziękuję za wyjaśnienie.

  6. Patryk 6 sty 2022 Odpowiedz

    Pytanie teoretyczne do przykładu zbiornika z wodą? Skoro cząsteczki wody mogą się orientować pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, to czy po całkowitej polaryzacji w zbiorniku będziemy mieć zerowe pole elektryczne jak w przypadku metalu?
    Czy możemy śmiało powiedzieć że dielektryk jak znajdzie się pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego ustawia się jakby w stan naprężenia bo jego równowaga została zakłócona i też podobnie jak metal chce jak by to ująć ’’ odepchnąć zewnętrzne pole elektryczne ”

  7. Paweł 16 gru 2021 Odpowiedz

    Cześć przeczytałem artykuł, bardzo przyjemnie się go czyta i uważam że jest naprawdę bardzo dobry? miałbym jednak pytanie. Nie mogę załapać zdania że elektrony zaczęły wytwarzać nowe wewnętrzne pole elektryczne i dla czego strzałki wewnątrz przewodnika są skierowane przeciwnie do tych dłuższych? za wszelkie rozwianie wątpliwości z góry dziękuję.

    1. Artur Szulc 17 gru 2021 Odpowiedz

      Strzałki są skierowane zawsze od wyższego do niższego potencjału. Te długie strzałki są w prawo, dlatego że domyślnie przyjąłem dodatni ładunek po lewej, a ujemny po prawej. W izolatorze jest odwrotnie, stąd strzałki są przeciwne.
      Może z tym sformułowaniem „elektrony zaczęły” nieco się zagalopowałem, bo tak naprawdę chodzi o to, że elektrony odsunęły się od dodatnich jąder swoich atomów, przez co powstała różnica potencjałów, a więc innymi słowy pole elektryczne. Polecam zajrzeć do artykułu o Polu Elektrycznym i Prawie Coulomba – tam więcej pisałem o tym skąd takie pole się bierze.

  8. Patryk 14 gru 2021 Odpowiedz

    Witam serdecznie czy mógłby pan pomóc mi rozwikłać pewne wątpliwości? niestety nie związane z tematem aczkolwiek w jakim tam sensie uważam że jest to jakoś ze sobą powiązane. Do sedna sprawa dotyczy pomiaru rezystancji izolacji. Na stronie firmy Sonel znajduję się taki artykuł https://www.sonel.pl/pl/centrum-wiedzy/teoria-pomiarow/ochrona-przeciwporazeniowa/pomiary-rezystancji-izolacji/ mamy tam przedstawiony wykres pod tytułem ‘’prąd w izolacji podczas pomiaru” pytanie moje dotyczy prądu opisanego numerem 3 nazwanego prądem absorbcji?(ciekawe skąd ta nazwa)
    Mógłby pan mi wytłumaczyć jak on w ogóle powstaje i o jakich ładunkach jest mowa w opisie tego prądu skoro mamy izolator. i dlaczego możemy uważać że płynie? skoro to z tego co zrozumiałem polaryzacja to tak jakby rozciąganie atomów czyli tworzenie dipoli i jak to ma się do powstania prądu? Byłbym bardzo wdzięczny za pomoc i myślę że nie tylko ja jestem ciekawy tego zagadnienia?

    1. Artur Szulc 15 gru 2021 Odpowiedz

      Ależ już spieszę z wyjaśnieniem.
      O prądzie mówimy wtedy, gdy poruszają się ładunki.
      Rozciąganie atomu polega na tym, że elektron przemieszcza się delikatnie w jedną stronę, a dodatnie jądro w drugą. I to się dzieje w tryliardach atomów dane dielektryka. A więc tryliardy ujemnych i dodatnich ładunków przemieszczają się w tym samym momencie – to chyba brzmi jak prąd prawda?
      Przecież nikt nie powiedział, że prąd to jakieś konkretne przemieszczenie ładunków – że muszą się przemieścić na przynajmniej 1 cm i trwale oderwać od swoich macierzystych atomów. Wystarczy, że zmienią one swoje położenie choćby o 1/100 swojej średnicy i to już oznacza, że ktoś gdzieś włożył energię, by to się stało. A tam gdzie energia, tam praca, a gdzie praca elektryczna, tam prąd elektryczny.

      1. Patryk 15 gru 2021 Odpowiedz

        Dzięki za wyjaśnienie to w sumie tłumaczyło by dlaczego ten prąd na wykresie opada w dół? Dipole się polaryzują a kiedy już to zrobią to muszą się zatrzymać prawda? A tak dla pewności w opisie jest wzmianka o ładunkach? to chodzi o zmianę położenia elektronów i o nic więcej tak? A czy zgodziłby się pan wyjaśnić mi jeszcze opis pt. ‘’upływność skrośną ‘’bo powierzchniową łatwo zrozumieć.
        Chodzi mi mianowicie jak wyjaśnić że prąd płynie przez izolator bo wiadomo nie ma idealnych dielektryków. Jak powstaje taki prąd przecież elektrony są w izolatorach bardzo silnie związane z atomami. Czy to chodzi może o to że każdy izolator nie jest tak jakby czysty chemicznie ,zawiera różne zanieczyszczenia które przewodzą czy jak to wytłumaczyć? oczywiście pomijam wpływ wysokiego napięcia mogący bez problemu wyrwać elektrony ze swoich orbit.

  9. Bartosz 21 paź 2021 Odpowiedz

    Aż muszę napisać komentarz. Naprawdę dobrze tłumaczysz, moim zdaniem masz talent do uczenia, wytłumaczyłeś w zasadzie ważne rzeczy w prosty,mało skomplikowany sposób. Moja nauczycielka z technikum elektrycznego powtarzała że Elektrotechnika Bolkowskiego to biblia elektryka,którą każdy elektryk powinien znać. Skończyło się tak że nikt z klasy nigdy nawet nie otworzył tej książki, bo jak sam to recenzowałeś, jest pisana skomplikowanym językiem. Po kilku latach od ukończenia szkoły otworzyłem tę książkę i teraz dopiero widzę czemu nie mogłem jej wtedy zrozumieć 😀 Jednak ty tłumaczysz te rzeczy w tak oczywisty sposób, że nawet gdybyś zasypał wszystkich wzorami , to można by się w tym jakoś połapać.Gdyby ta nauczycielka zamiast polecać tak skomplikowaną książkę, wręcz akademicko pisaną, wytłumaczyła poszczególne zagadnienia tak jak ty to zrobiłeś, to wszystko stało by się prostsze.Wniosek jest taki, że naprawdę bardzo dobrze uczysz. Myślę że może to być dla ciebie ważne, jeśli to przeczytasz 😀

    1. Artur Szulc 21 paź 2021 Odpowiedz

      Dziękuję bardzo! Takie komentarze zachęcają do pisania kolejnych artykułach nawet w dni, w których nie chce mi się tego robić 🙂

  10. Jerzy 3 paź 2021 Odpowiedz

    Bardzo przystępnie przedstawiona wiedza o elektryczności, co nie jest prostym zadaniem, zważywszy na jej nieintuicyjny charakter, jak to ma miejsce np. w mechanice. Gratuluję 👍
    Wprawdzie nie wgłębiałem się w spis treści, ale będę wdzięczny za skierowanie mnie na informacje o przebiciach w piezokryształach, a dokładnie w stosach piezoelektrycznych.
    Z góry dziękuję i pozdrawiam

    1. Artur Szulc 3 paź 2021 Odpowiedz

      Dzień dobry!
      Dotąd nie stworzyłem artykułu o tak specyficznej tematyce jak przebicia w piezokryształach. Skupiam się raczej na zagadnieniach ogólnych, na które jest szerokie zapotrzebowanie.
      Pozdrawiam!

  11. Kamil 9 lip 2021 Odpowiedz

    Jest to najlepszy artukuł jaki czytałem- prostym ludzkim językiem. Przeczytam wszystkie od deski do deski. Tak sobie myślę, że minąłeś się z powołaniem, ponieważ taki nauczyciel w szkole jak Ty, to byłby skarb. Dziękuję Ci bardzo.

  12. Krzysztof 26 gru 2020 Odpowiedz

    Czy można fizycznie wyjaśnić wpływ ciała ludzkiego na systemy radarowe startu i lądowania samolotów?Krótko mówiąc znam kogoś kto przemieszczając się w ściśle określonych warunkach wpływa swoją osobą na kierunek startu i lądowania samolotów.Dziwne ale prawdziwe bo sam widziałem.Czy jest to rodzaj polaryzacji.Na 50 samolotów wszystkie leciały tam gdzie znajdował się ten człowiek.Teraz w pandemii jest ich miej ale wpływ nie znikna.

    1. Artur Szulc 27 gru 2020 Odpowiedz

      Niezwykle ciekawa historia. Aby takie coś byłoby możliwe, musiałyby zaistnieć jednocześnie dwie rzeczy:
      1. Samoloty musiałyby startować tylko i wyłącznie w oparciu o dane radarowe.
      2. Człowiek ów musiałby nosić ze sobą niezwykle potężne źródło fal elektromagnetycznych, zdolne zakłócić działanie radarów.

      W rzeczywistości, jeśli faktycznie byłeś tego świadkiem, to mogę jedynie nazwać to ciekawą sztuczką, ale nie zjawiskiem fizycznym.

  13. Przemo 7 wrz 2020 Odpowiedz

    To pole elektryczne wewnątrz przewodnika pali mi mózg.
    Muszę to na spokojnie przeczytać i przemyśleć, bo nie mieści mi się w głowie, że pomimo różnicy potencjału ładunki w środku przestają się poruszać. Mam przed oczami gniazdko, układ, w którym napięcie zawsze istnieje, nie wiem, może tu jest błąd. „Elektrony w przewodniku pędzą w stronę potencjału wysokiego, ale efekt ten nie trwa wiecznie.”

  14. Krzysztof 19 cze 2020 Odpowiedz

    „Aby wytworzyć pole elektryczne, wystarczą dwie przeciwnie naładowane płytki – różnica potencjałów między nimi gwarantuje istnienie pola elektrycznego.” – a czy do istnienia pola elektrycznego nei wystarczy jeden ładunek (w tym opisie np. jedna płytka naładowana), przecież pole elektryczne powstaje wokół ładunku, coś pomieszałem ? Czy przykładając np. ujemnie naładowaną płytkę do obiektu, na ten obiekt będzie działać pole, konieczne są dwie, przeciwne, czy ma to związek ze stałością tego pola ?

    1. Artur Szulc 20 cze 2020 Odpowiedz

      Masz rację, trochę źle to opisałem. Dwie przeciwnie naładowane płytki gwarantują jedynie, że pole będzie miało kształt prostych linii, a więc równomiernie naelektryzuje sześciany. Normalnie do wytworzenia jakiegokolwiek pola wystarczy ładunek, dodatni lub ujemny, o dowolnej wartości.
      Rok temu zacząłem gruntowne poprawianie i przerabianie pierwszych artykułów i zatrzymałem się właśnie na tym. Mam nadzieję, że latem znajdę czas, by wreszcie się za niego wziąć, bo wymaga on kilku istotnych poprawek, by stał się łatwiejszy w zrozumieniu. Pozdrawiam!

  15. Jan 12 cze 2020 Odpowiedz

    A podatność elektryczną dielektryka podaje się w jakich jednostkach?

    2. Kamil 20 sty 2023 Odpowiedz

      Jak wiemy pod wpływem napięcia na jednej z okładek kondensatora gromadzi się ładunek który wytwarza pole elektrostatyczne powodując że prąd może płynąć przez izolator, wiadomo również że żeby płynął prąd w miejsce jednego elektrona walencyjnego musi pojawić się następny czyli na jednej elektrodzie gromadzi się nadmiar elektronów na innej zaś niedomiar? Czy nie jest to sprzeczne? Nie rozumiem tego.

  16. Gabriela 17 maj 2020 Odpowiedz

    Dziękuję za wszystkie posty, pozwalają mi usystematyzować dotychczas zebrane wiadomości na fizyce, dziękuję:)

Dodaj komentarz