Чем больше величина диэлектрического коэффициента, или диэлектрической константы, обозначаемой как К, тем выше уровень электропроводимости материала. Например, константа воздуха - 1,00054, вакуума - 1,0. Другие значения К для разных материалов следующие.
- Стекло: 5–10.
- Нейлон: 3,5.
- Полиэтилен: 2,3.
- Хлорид натрия: 6,1.
- Дерево: 2,5–8,0.
- Этиловый спирт (0ºC): 28,4.
- Дистиллированная вода (20ºC): 80,1.
Если электрическое поле диэлектрика становится очень интенсивным, электроны покидают молекулы и материал превращается в проводник. Максимальное электрическое поле, которое диэлектрик может выдержать до момента разрушения, называется электрической прочностью.
Вот некоторые примеры диэлектрических материалов: стекло, резина, воск, бумага, сухое дерево или фарфор.
Эксперимент с кюветой со льдом
Работы по статическому электричеству и изолирующему эффекту клетки Фарадея были подтверждены в эксперименте 1843 года с использованием кюветы со льдом.
Схема аппарата, использованного Фарадеем для эксперимента с кюветой льда. Для изоляции кюветы от пола использовалась деревянная табуретка. Электрически заряженный латунный шарик, подвешенный на шелковой нити - изоляторе, опускался в кювету. Кювета была соединена проводом с электроскопом, чувствительным к заряду на ее стенках.
В полую металлическую кювету (см. схему) с отверстием сверху клали лабораторный лед. К стенке кюветы подключали электроскоп. Далее Фарадей опускал в кювету металлическую заряженную сферу. В этот момент электроскоп регистрировал заряд внутри кюветы, противоположный заряду сферы. Снаружи кюветы заряд был такой же, как у сферы. Пока сфера находилась внутри кюветы, электроскоп показывал тот же заряд; когда сферу вынимали, электроскоп не показывал никакого заряда. Таким образом, внутренние стенки сосуда приобретали заряд, противоположный заряду сферы, а внешние - такой по знаку заряд, как у сферы. Этот эксперимент Фарадея подтвердил, что «индуцированные заряды всегда будут иметь одну величину, но будут разные по знаку между собой и зарядом индуктора».
|
|
Эксперимент с кюветой также подтверждал принципы электростатического экранирования, наблюдаемые в клетке Фарадея и применяемые сегодня для защиты оборудования от электрических разрядов.
Фарадей реализовал первый эксперимент, количественно подтверждающий сохранение электростатического заряда: общее количество положительных электрических зарядов на предмете равно количеству отрицательных, то есть общее количество электрического заряда в любом случае будет постоянным. Так, например, если изначально заряд кюветы был + 15 при опускании заряженной сферы +3, на внутренней поверхности кюветы обнаруживался заряд -3, а на внешней поверхности - +18. Общий заряд кюветы не изменился, так как 18 + (-3) - 15.
Эксперимент Фарадея до сих пор используется на лекциях и лабораторных демонстрациях для пояснения принципов электростатики.
ЗНАЧЕНИЕ ОТКРЫТИЙ
Наиболее важные для развития химии исследования Фарадея относились к области физической химии и особенно к выявлению связи между электрическими и химическими явлениями.
В начале XIX в., развивая учение об электричестве, Фарадей, живо интересовавшийся еще в юношеские годы последними достижениями науки, установил тождество гальванического и статического электричества и открыл в 1831 г. явление электромагнитной индукции. Эти открытия стали основой для конструирования генераторов, электромоторов, трансформаторов и других устройств по выработке и преобразованию электрической энергии. В работах по магнетизму Фарадей впервые показал, что магнитные свойства присущи не только железу, но являются общими свойствами веществ. Подразделив все соединения на парамагнитные и диамагнитные, Фарадей разработал предпосылки для создания магнетохимии.
|
|
Работы Фарадея по изучению электрических и магнитных явлений способствовали также развитию представлений об единстве и взаимопревращаемости сил природы. Он разрешил вопрос о тождестве электричества, полученного различными путями.
Фридрих Энгельс в своей книге «Диалектика природы» особенно подчеркивал, что Фарадей первым рассмотрел электричество не как флюид, а как определенную форму движения, силу. Работы Фарадея существенно помогли признанию единства сил природы и тем самым содействовали выработке материалистического мировоззрения и развитию естествознания.
Своими работами Фарадей в значительной мере способствовал доказательству положения, что существует единство всех сил в природе. А это вело к совершенствованию материалистической трактовки важнейших вопросов естествознания. Для химии наибольшее значение имели открытые Фарадеем (1834 г.) и носящие его имя законы электролиза: 1) массы превращенных веществ пропорциональны количеству электричества, прошедшего через электролит; 2) массы различных веществ, превращенные в результате прохождения через электролит одного и того же количества электричества, пропорциональны химическим эквивалентам этих веществ. Английский ученый также ввел в электрохимию большинство ее основных понятий - таких, как электролиз, электролит, электрод, анод, катод, ионы, анионы и катионы. Законы Фарадея отражают количественную связь между массами веществ, выделенных при электролизе, и необходимым для этого количеством электричества. Тем самым стало возможным количественно предсказывать ход определенных электрохимических процессов и экспериментально определять эквивалентные массы химических элементов и их соединений. Исходя из эквивалентных масс веществ, можно рассчитать их атомные массы. Так Фарадей связал свои исследования электрических явлений с атомистическими представлениями. Он приписывал атомам наличие электрических сил, действие которых ученый связывал с проявлением таких наиболее важных свойств веществ, как например химического сродства. В одной из поздних работ, опубликованной в 1845 г., Фарадей исследовал магнитное вращение плоскости поляризации света в органических соединениях.
|
|
Эти исследования Фарадея были развиты впоследствии его соотечественником сэром Уильямом Генри Перкином-старшим.
Немаловажное значение для развития химии имели также работы Фарадея по органической химии и химической технологии. Так, в 1825 г. он исследовал побочные продукты коксования каменного угля и выделил из светильного газа бензол, который назвал «газойлем», «газовым маслом». В конденсате светильного газа Фарадей также открыл изобутилен, оказавшийся по процентному составу тождественным с этиленом. В 1825 г., действуя на свету хлором на этилен, Фарадей, по-видимому, получил гексах-лорэтан. Фарадей также занимался приготовлением различных сплавов железа с целью получения стали для изготовления нержавеющих изделий. Он также разработал состав борсиликатного стекла для оптических линз, которые впоследствии применял в своих магнитно-оптических исследованиях. Эти и многие другие работы Фарадея ярко показывают, какими выдающимися способностями обладал он - один из самых замечательных экспериментаторов XIX в.