1.19.1 Vezető anyagok - töltésmegosztása - influencia 1.19.2 A szigetelő anyagok villamos teret befolyásoló tulajdonságai

A különböző anyagokat villamos térbe helyezve azok a bennük levő villamos töltések révén befolyásolják a villamos teret. A befolyásolás jellegét meghatározza, hogy az illető anyagban a töltések szabadon képesek-e elmozdulni (vezető anyagok), vagy sem, illetve, hogy milyen mértékben polarizálódnak bennük a töltések.

 


1.19.1.1 A villamos tér árnyékolása

Villamosan vezető anyagok azok a szilárd, folyékony vagy gáznemű anyagok, amelyek fajlagos ellenállása W m-nél kisebb. Vezető anyagokban nagyszámú szabad - elmozdulásra képes - töltéshordozó van jelen. Vezető anyagú testekben villamos tér hatására töltésmegosztás következik be.

Valamely anyag annál jobb villamos vezető, minél több és minél könnyebben mozgó töltéshordozót tartalmaz. A szilárd testek közül a fémek nagy számban rendelkeznek szabad, vagy más néven vezetési elektronokkal, amelyek igen könnyen mozdulnak el nagy távolságra az anyagon belül. A legjobban vezető fémekben, az ezüstben és a rézben gyakorlatilag annyi szabad elektron van, amennyi atom. Jó vezető ezen kívül a szén, az emberi test, az elektrolitok és a magas hőmérsékletű gázok, a láng és természetesen a plazma.

Vezető anyagú testet villamos térbe helyezve, abban töltésmegosztás, vagy más néven influencia következik be. Az influencia során az anyag töltései a külső villamos térnek megfelelően rendeződnek, amely a pozitív töltéseket a térerősség irányába, a negatív töltéseket azzal ellentétes irányba taszítja.

A vezető anyagon belül pontosan annyi töltés mozdul el a test felületére, hogy az ily módon szétvált töltések tere éppen nullára kompenzálja a külső villamos teret a vezető anyag belsejében. Ez azért van így, mert ha a vezető testen belül villamos tér maradna fenn, az továbbra is erővel hatna a testben levő töltésekre, azokat addig mozgatva a megfelelő felületre, amíg a testen belül a villamos tér meg nem szűnik.

Statikus villamos térben a vezető test ekvipotenciális (egyenpotenciálú), belsejében a villamos tér nulla, így a villamos térerősség (E) vonalmenti integrálja is nulla, tehát az egyes pontjai között potenciálkülönbség (U) nincs.

1.19.1.1 ábra: Töltésmegosztás villamos térbe helyezett vezető anyagú testben

A vezető test felületét a villamos erővonalak merőlegesen érik, hiszen ha lenne a térerősségnek érintő irányú összetevője, az erővel hatna az ott jelen lévő töltésekre, amelyek ennek hatására elmozdulnának.

Mivel a vezető anyagú test belsejében villamos tér nincs jelen, maga test villamos töltés szempontjából kifelé semleges, ezért egyetlen dipólusnak lehet tekinteni, a külső teret csak torzítja, tágabb környezetében annak értékét nem változtatja meg. Az elektrosztatika Gauss-tételét a teret kitöltő anyagtól függő térjellemzővel, a villamos térerősséggel felírva és a térerősséget (E) kifejezve látható, hogy a teret létrehozó véges értékű töltés (Q) és véges felület esetén az csak a permittivitás () végtelen értéke mellett lehet nulla.:

A vezető anyagok tehát végtelen nagy relatív dielektromos állandóval rendelkezdőknek tekinthetők.

Statikus villamos térben a vezető anyagok minden pontja egyenpotenciálú, ezért ekvipotenciális felületek helyére vezető anyag felületét helyezve az nem befolyásolja az eredeti villamos teret.

(Ld. még: A villamos tér árnyékolása)

 

A villamos tér jelenléte bizonyos esetekben illetve bizonyos térrészeken nemkívánatos lehet. Ilyen esetben gondoskodni kell arról, hogy a térrész környezetében jelen levő villamos tér a térrészbe ne juthasson be.

Árnyékolásnak a villamos vagy mágneses tér illetve az elektromágneses tér valamely térrészből való kizárását nevezzük.

A villamos tér árnyékolása jó vezetőképességű anyag (vezető anyag) alkalmazásával érhető el.

Ha a külső villamos tér hatásaitól kívánjuk megvédeni valamely berendezést, akkor az vezető anyagú burkolatba helyezve megvalósítható, hiszen vezető anyag belsejében a villamos térerősség az influencia miatt nulla, hacsak a jelen esetben természetesen üreges vezető test belsejében nincsen töltés.

1.19.1.1.1 ábra: Térrész árnyékolása a külső térrel szemben

A külső tér is mentesíthető valamely, villamos teret létrehozó berendezés terétől vezető anyagú burkolatba helyezve azt. Az influencia ekkor hasonlóképpen végbemegy. A vezető burkolaton kívül vizsgálva a teret, természetesen jelen van a villamos tér, hiszen a kívül felvett zárt felületen belül ugyanakkora eredő villamos töltés van jelen, mint a burkolat nélkül. Az árnyékoló burkolatot leföldelve azonban annak külső felületén elhelyezkedő, a teret létrehozó, belső töltéssel azonos mennyiségű és nemű töltés a földbe távozik, így a kívül felvett zárt felületen belül a belső töltéssel azonos mennyiségű, de ellentétes előjelű töltés van az árnyékolásban, az eredő töltés tehát nulla.

1.19.1.1.2 ábra: A külső tér védelme a belső villamos térrel szemben

Korunkban az elektromágneses összeférhetőség biztosítása igen fontos szerepet játszik a műszaki életben. A statikus villamos tér a fent ismertetett módszerekkel viszonylag egyszerűen árnyékolható. Nehezebben megoldható feladatot jelent a mágneses térrel, illetve az elektromágneses hullámokkal szembeni árnyékolás.

A villamos tér tetszőlegesen kis vastagságú, jó vezető anyaggal árnyékolható. Az árnyékolásnak nem feltétlenül kell folytonosnak lennie, abban lehetnek megszakítások is. A védett tét méreteihez képest elhanyagolható méretű megszakításokkal rendelkező fémburkolattal a villamos tér árnyékolható. A huzalhálóból készült árnyékolást Faraday-kalitkának nevezzük. Faraday-kalitkával árnyékolják például a nagyfeszültségű laboratóriumok helyiségeit. Az árnyékolást mindig földelni kell, ellenkező esetben annak érintése veszélyes lehet.

 



Az igen kis vezetőképességű anyagok szigetelőanyagok, bennük nagyon kevés elmozdulásra képes töltéshordozó van jelen.

A szigetelőanyagok egy része elemi villamos dipólusokat tartalmaz, mert az anyagot alkotó részecskék pozitív és negatív villamos töltéseinek súlypontja nem esik egy pontba.

A villamos tér jelenléte nélkül is dipólusokat tartalmazó szigetelőanyagokat poláros anyagoknak nevezzük.

Az elemi dipólusok külső villamos tér jelenléte nélkül tetszőleges helyzetet vesznek fel az anyagon belül, így a szigetelő anyagú test villamos szempontból semleges. Villamos térbe helyezve az anyagot azonban a dipólusok a villamos tér irányának megfelelően rendeződnek.

Erősen poláros anyag például a víz, amelyben a molekulán belül elhelyezkedő oxigén atommal a két hidrogén atom hozzávetőleg 123° -os szögben kapcsolódik, és a hidrogén atomok egy-egy elektronja az oxigén atom körül is keringve, akörül nagyobb utat megtéve az oxigén atom oldalán negatív töltéssúlypontot hoz létre, míg a hidrogén atomok oldalán pozitív töltéssúlypont alakul ki.

1.19.2.1 ábra: A vízmolekula, mint dipólus

A villamos tér jelenléte nélkül dipólusokat nem tartalmazó szigetelőanyagokat apoláros anyagoknak nevezzük.

Az ilyen anyagokban az anyagot alkotó részecskék pozitív és negatív töltéseinek súlypontja egy pontba esik.

 

Villamos tér jelenléte nélkül sem az apoláros, sem a poláros anyagból készült szigetelő anyagú testek nem képeznek makroszkopikus dipólust. A polarizációra képes szigetelő anyagú testeket villamos térbe helyezve azok polarizáció révén makroszkopikus dipólust alkotnak.

A dipólusok rendeződését polarizációnak nevezzük. A dielektromos polarizáció révén a szigetelőanyag határfelületén töltések jelennek meg.

A polarizáció két fő fajtája létezik:

- orientációs polarizáció,
- deformációs polarizáció.

Az orientációs polarizáció során a poláros szigetelő anyag elemi dipólusai rendeződnek a tér irányának megfelelően. A deformációs polarizáció során a dipólusok eleve a tér irányának megfelelően alakulnak ki.

A polarizáció során a dielektrikum, azaz a szigetelőanyag felületén megjelenő töltések arról nem vehetők le.

1.19.2.2 ábra: Az orientációs polarizáció

A deformációs polarizáció során az apoláris szigetelő anyag részecskéiben a villamos tér erőhatásának következtében a pozitív és negatív töltés súlypontja eltolódik a tér irányának megfelelően, és így alakul ki a dipólus.

1.19.2.3 ábra: Az deformációs polarizáció

Abban az esetben, ha az deformációs polarizáció atomokban meg végbe az elektronhéjaknak az atommaghoz képest történő eltolódása révén, akkor elektronpolarizációról beszélünk. Ha eltérő töltéseket képviselő atomokból álló molekulában az egyes atomok tolódnak el egymáshoz képest, akkor atompolarizációról beszélünk.

Egy további polarizációs mechanizmus a rácspolarizáció, amely akkor következik be, ha különböző töltésű atomok által alkotott, rácsszerkezetű anyagot helyezünk villamos térbe.

1.19.2.4 ábra: A rácspolarizáció

 

Villamos dipólust alkot két, egymás közelében, állandó távolságra elhelyezkedő, azonos nagyságú, ellentétes nemű pontszerű töltésből álló rendszer.

A dipólusnyomaték a villamos dipólus jellemzésére szolgáló vektormennyiség.

Jele: p mértékegysége: [p] = 1 Cm = 1 Asm

1.19.2.1 ábra: Villamos dipólus

A dipólusnyomaték:

ahol Q a dipólust alkotó pontszerű töltések nagysága, l pedig a közöttük lévő távolságvektor.

Villamos dipólust homogén villamos térbe helyezve, arra a dipólusnyomaték vektor és a villamos térerősség vektor vektoriális szorzatával megegyező forgatónyomaték hat.

1.19.2.2 ábra: Villamos térbe helyezett dipólusra ható forgatónyomaték

M = p × E × sinaa

Homogén villamos térbe helyezett villamos dipólusra csak forgatónyomaték hat. Inhomogén villamos térben azonban a forgatónyomaték mellett a villamos dipólusra eredő erő is hat. Ha a dipólus szabadon mozoghat, akkor általában forogva halad a nagyobb térerősségű hely felé.

1.19.2.3 ábra: A villamos dipólus a nagyobb térerősségű hely felé halad

A villamos térbe helyezett vezető test a töltésmegosztás - influencia - révén villamos dipólussá alakul. Az eredetileg villamos töltés szempontjából semleges vezető test mindig olyan dipólussá alakul, amelynek tere ellentétes az őt létrehozó térrel. Az így kialakult dipólus inhomogén térben mindig a nagyobb térerősségű hely felé halad. Pontszerű töltés terébe helyezve a semleges vezető testet, arra mindig a töltés felé irányuló erő hat, tehát az vonzza a vezető anyagú testet.

- Elektret

Elektret a neve az állandó villamos teret előállító szigetelőknek, amelyekben permanens dipólusokat képező molekulák külső villamos térbe helyezve, annak megszűnése után is fenntartanak statikus villamos teret.

Az elektret klasszikus előállítási módja, hogy olvadt méhviaszt villamos térbe helyezve hagynak megszilárdulni. A viaszt alkotó permanens dipólusok a tér irányába rendeződve fagynak meg.

Újabban kerámia anyagokból és műanyagokból készítenek elektretet.

 

Az alábbiakban a szigetelőanyagokban villamos tér hatására bekövetkező polarizáció és a szigetelőanyag villamos permittivitása közötti kapcsolat levezetése szerepel.

A vákuummal kitöltött, C0 kapacitású kondenzátorra U feszültséget kapcsolva annak fegyverzetein

villamos töltés halmozódik fel.

Abban az esetben, ha a fegyverzetek közötti teret dielektrikum tölti ki, ugyanazon U feszültség hatására nagyobb mennyiségű töltés halmozódik fel az elektródokon. Ennek oka, hogy a dielektrikumban polarizáció megy végbe, amely során a szigetelőanyagnak az elektródokkal szomszédos felületén megjelenő töltések az elektródokon levő töltések által létrehozott villamos térrel ellentétes irányba mutató teret hoznak létre. A polarizációs töltések tehát lerontják a kondenzátor belsejében a villamos teret. A feszültség azonban állandó értékű és a villamos térerősség vonalmenti integráljával egyenlő. Az 1.19.2.3.1 ábrán síkkondenzátor látható, amelyben homogén teret feltételezünk, így a feszültség:

ahol E a villamos térerősség a kondenzátor belsejében,

d a síkkondenzátor elektródjainak távolsága.

1.19.2.4 ábra: A síkkondenzátor fegyverzetein felhalmozódott töltés vákuum és dielektrikum alkalmazása esetén

Az U feszültség és természetesen a d távolság változatlan maradt, tehát az E villamos térerősségnek szintén változatlannak kell maradnia. Ez csak úgy valósulhat meg, ha az elektródokon levő töltés mennyisége megnő. További töltések halmozódnak fel az elektródokon a dielektrikum által létrehozott, ellentétes irányú villamos tér kompenzálása érdekében. Ezt a töltésmennyiséget QK kötött töltésnek nevezzük. Az eredetileg a fegyverzeteken levő töltést pedig szabad töltésnek nevezzük.

A dielektrikummal kitöltött kondenzátor lemezein felhalmozódott összes - valódi - töltés:

A dielektrikummal kitöltött kondenzátor C kapacitása az ugyanolyan méretű vákuumkondenzátor kapacitásának -szorosa, vagyis a relatív dielektromos állandó mértékével megnövekszik, így a töltés:

A kondenzátor töltése tehát szintén -szorosára növekedett.

A térerősség a kondenzátor belsejében:

ahol A a kondenzátor fegyverzeteinek felülete.

A térerősség tehát arányos a szabad töltéssel az anyag jelenlététől függetlenül.

A villamos eltolás azonban a valódi töltéssel arányos:

Felírva a villamos eltolás és a térerősség közötti összefüggést:

A kötött töltések segítségével definiáljuk a villamos polarizáció vektort: P

Mértékegysége megegyezik a villamos eltoláséval.

A villamos polarizáció vektor nagysága:

ezzel felírva a villamos eltolás vektorát:

mivel:

ezért:

Az tagot villamos szuszceptibilitásnak nevezik, amelynek jele:

amely a relatív dielektromos állandóhoz hasonlóan dimenzió nélküli szám.

A villamos szuszceptibilitás tehát:

Végül a p dipólusnyomaték és a polarizáció vektor közötti kapcsolat:

A dipólusnyomaték nagyságát a szigetelőanyag felültei töltése határozza meg, így a vele azonos nagyságú kötött töltéssel kifejezve a dielektrikum dipólusnyomatékát:

ahol V a dielektrikum térfogata.

A villamos polarizáció vektor a térfogategységre eső dipólusnyomatékkal egyenlő:

 

- Dielektromos veszteség

A szigetelőanyagot időben váltakozó irányú villamos térbe helyezve az anyagban levő illetve az abban keletkező dipólusok folyamatosan változtatják irányukat. A folytonos irányváltoztatás illetve a villamos töltések mozgatása munkabefektetést igényel, amit a részecskék a villamos térből nyernek. A tér által befektetett munka a szigetelőanyag hőmérsékletét növeli.

A dielektromos veszteség a villamos térbe helyezett dielektrikumban a tér energiája által fedezett hőfejlődés.

A dielektromos veszteséget két jelenség okozza:

- egyrészt a dielektrikum véges ellenállása folytán fellépő vezetési áram Joule-hője;
- másrészt a dielektrikum molekulái között a polarizáció során történő elforduláskor bekövetkező súrlódás. Ez utóbbi összetevő váltakozó tér esetén lép föl, amikor a dipólusok a tér változásának frekvenciája által meghatározott időközönként irányt változtatnak.

(Ld. még: Dielektromos melegítés)

- Elektrosztrikció

A szigetelőanyagban villamos tér hatására bekövetkező polarizációkor az anyagban az elemi dipólusok a térnek megfelelően, azonos irányba rendeződnek. A rendeződés eredményeként az egymás mellett elhelyezkedő dipólusok ellentétes nemű töltései közötti erők azonos irányban hatnak, aminek következtében az anyag a tér irányában kissé megrövidül.

A szigetelőknek villamos térben bekövetkező kismértékű, rugalmas alakváltozását nevezzük elektrosztrikciónak.

1.19.2.5 ábra: Villamos térben a szigetelőanyag kissé megrövidül

Az alakváltozás összehúzódást vagy kitágulást jelent attól függően, hogy a szigetelőanyag dielektromos állandója a nyomással nő vagy csökken. A térfogatváltozás általában a térerősség négyzetével arányos.

- Piezoelektromosság

Egyes kristályos anyagok határfelületein bizonyos irányban kifejtett nyomás vagy húzás hatására polarizációs töltések jelennek meg. Az így keletkezett polarizációs töltések jelenléte a kristály határfelületei között mérhető feszültség formájában érzékelhető. Ilyen piezokristály például a turmalin és a kvarc.

A piezohatás magyarázata, hogy a kristályban a deformáció során az ionok eltolódása miatt dipólusok keletkeznek a nyomás vagy húzás irányában. A jelenség csak egy vagy több poláros tengellyel rendelkező, szimmetriaközpont nélküli kristályokban lép fel.

A piezohatás fordítottja, amikor villamos tér hatására a kristály deformálódik, az elektrosztrikciónak a piezokristályokban fellépő esete.

(Ld. még: A villamos tér a gyakorlatban)