Par vadītājiem sauc vielas, kurās ir liels brīvo lādiņnesēju skaits. Labi vadītāji ir, piemēram, metāli, kuros brīvie lādiņnesēji ir elektroni, kas nav piesaistīti metāla kristāliskajam režģim un var brīvi pārvietoties. Ja kāds metāla stienis atrodas vidē, kur elektriskā lauka intensitātē E = 0, tad elektroni ir vienmērīgi izvietoti pa metāla objektu (1. att. a). Ja šim stienim gadās nonākt vietā, kur elektriskais lauks E nav 0, tad Kulona spēka ietekmē brīvie lādiņnesēji pārvietojas uz vienu stieņa galu (1. att. b). Šī parādība ir elektrostatiskā indukcija, un tās rezultātā vadītājā tiek atdalīti pozitīvie un negatīvie lādiņi.
1.att. Vadītājs elektriskajā laukā
Ja vielā ir maz brīvo lādiņnesēju, tad to sauc par dielektriķi. Dielektriķi ir, piemēram, gaiss, spirts, destilēts ūdens, plastmasas, eļļas un porcelāns. Dielektriķus iedala nepolāros un polāros dielektriķos. Nepolāriem dielektriķiem bez ārējā elektriskā lauka pozitīvo un negatīvo lādiņu centri sakrīt. Piemēram, ūdeņradi veido pozitīvi lādēts kodols un elektrons, kas ir „izsmērēts” ap šo kodolu (2. att. a), tādēļ apstākļos, kad E = 0, pozitīvā un negatīvā lādiņa centri sakrīt. Pakļaujot ūdeņradi elektriskajam laukam, elektrona veidotais mākonis izstiepjas (2. att. b), līdz ar to pozitīva un negatīvā lādiņa centri vairs nesakrīt un atoms veido tā saucamo dipolu. Vēl viens nepolāra dielektriķa piemērs ir skābeklis.
2.att. Nepolārs dielektriķis elektriskajā laukā
Pastāv arī polāri dielektriķi. Tajos katra molekula jau veido dipolu bez ārēja elektriska lauka ietekmes, vienīgi siltumkustības dēļ šie dipoli cits attiecībā pret citu ir orientēti haotiski (3. att. a). Ja uz polāru dielektriķi iedarbojas ārējs elektriskais lauks, tad dipoli nostājas šī lauka virzienā, un to sauc par dielektriķa polarizāciju.
3.att. Polārs dielektriķis elektriskajā laukā
Dielektriķu veidotajiem dipoliem ir savs elektriskais lauks, kas darbojas pretēji ārējā elektriskā lauka virzienam, tādā veidā to samazinot. Dažādi dielektriķi elektrisko lauku samazina dažādi, tādēļ to raksturošanai lieto dielektrisko caurlaidību ε, kas norāda to, cik reižu dielektriķis pavājina ārējo elektrisko lauku, tāpēc tai nav savas mērvienības. Dielektriskā caurlaidība ir jāņem vērā, apskatot elektriskā lauka izraisītas parādības dielektriskā vidē. Sadaļā par elektrostatiku tika apskatīts Kulona likums vakuumā, kur ε= 1, līdz ar to nekādas izmaiņas E laukam nenotiek. Ja Kulona likumu apskata dielektriskā vidē, tad ir jāņem vērā vides dielektriskās īpašības, un Kulona spēks tiek izteikts kā F = k . q1q2 : (εR2), kur
q1- pirmā lādiņa lielums (C)
q2- otrā lādiņa lielums (C)
k - Kulona spēka konstante k = 9 .109N .m2 : C2
ε - vides dielektriskā caurlaidība
Ja divi piekārti lādiņi atgrūžas, atrodoties gaisā, kam ε ≈ 1, tad, ievietojot šos pašus lādiņus ūdeni ar ε ≈ 1, tie atgrūdīsies daudz mazāk (4. att.), jo Kulona spēku izraisošais elektriskais lauks ir samazināts.
Apskaties DZM materiālu!
4.att. Ūdens ir spēcīgs dielektriķis, salīdzinot ar gaisu
Dažādu vielu dielektriskā caurlaidība ε apskatāma 5. attēlā.
5.att. Dažādu vielu dielektriskā caurlaidība ε
Vielas dielektriskā caurlaidība ε norāda, cik reizes attiecīgā viela samazina elektrisko lauku. Tas nozīmē: ja starp divām pretēji uzlādētām plaknēm ir elektriskā lauka intensitāte ar vērtību E0 (1. att. a) un, ieliekot starp plāksnēm dielektriķi, tas samazinās līdz E (1. att. b), tad ievietotā dielektriķa dielektriskā konstante ε = E0 : E.
1.att. Dielektriskās caurlaidības ε vērtība
Dielektriķi ārējā elektriskajā laukā var apskatīt kā vielu, kas sastāv no dipoliem. Ja šo dielektriķi ievieto starp divām pretēji uzlādētām vadītāja plaknēm, tad dipola negatīvie poli nostājas pozitīvi uzlādētās plaknes virzienā, attiecīgi dipola pozitīvie poli nostājas negatīvās plaknes virzienā (2. att.). Šādi izkārtotu dipolu radītais elektriskais lauks ir līdzīgs tam, ko radītu pie pozitīvās plaknes novietotu negatīvu lādiņu klājums un pie negatīvās plaknes novietotu pozitīvo lādiņu klājums. Šos lādiņu klājumus sauc par polarizācijas lādiņiem (2. att.), un to radītais elektriskais lauks Epir vērsts pretēji ārējam elektriskajam laukam E0.
2.att. Elektriskie lauki dielektriķī
Dielektriķu ietekme uz punktveida lādiņa radīto elektriskā lauka intensitāti atspoguļojas izteiksmē E = kq0 : (εR2) (3. att. a). Turklāt ietekmēta tiek ne tikai punktveida lādiņa elektriskā lauka intensitāte, bet arī potenciāls, kas dielektriskā vidē tiek rēķināts, izmantojot izteiksmi φ = kq : (εR) (3. att. b).
3.att. Dielektriķa ietekme uz punktveida lādiņu
Elektriskā lauka intensitāti starp divām pretēji lādētām plaknēm, kurām pa vidu atrodas dielektriķis (4. att. a), aprēķina pēc formulas E = σ : (εε0) (4. att. a). No šīs formulas izriet: ja tiktu mērīta potenciālu starpība jeb spriegums U1starp plaknēm bez dielektriķa (4. att. b), tad tas būtu lielāks nekā spriegums U2dielektriķa gadījumā (4. att. c).
4.att. Dielektriķa ietekme uz uzlādētu plakņu radīto elektrisko lauku
Ja starp pretēji uzlādētām plaknēm ar elektrisko lauku E1ievieto vadītāju, nevis dielektriķi, tad vadītājā notiek lādiņu pārdale, kuras rezultātā vadītājā rodas iekšējais elektriskais lauks E2, kas pilnībā kompensē ārējo elektrisko lauku E1. Līdz ar to elektriskais lauks vadītāja iekšpusē ir vienāds ar nulli.
5.att. Vadītājs plakņu radītajā elektriskajā laukā
Šo vadītāja īpašību var izmantot, lai aizsargātu no elektriskā lauka. Ja no metāla izveido būri, tad būra iekšpusē elektriskais lauks būs E = 0. Šādu objektu sauc par Faradeja būri, un, ja tajā atrodas cilvēks, tam nav jāuztraucas par elektrisko lauku, jāuzmanās ir citiem, kas būrim pieskaras no ārpuses (6. att. a)
Noskaties video par telefonu Faradeja būri!
Šo pašu efektu var izmantot, lai aizsargātu, piemēram, audio vadus no elektriskajiem trokšņiem, kas varētu kropļot signālu. Šajos vados par Faradeja būri kalpo ārējā apvalkā iestrādāta elektrovadoša folija. Līdzīgi ir TV antenu vadi. Par Faradeja būri kalpo arī metālisks automašīnas korpuss (6. att. b), tādēļ, braucot ar auto zibens laikā, par zibens spērieniem nav jāuztraucas tik ļoti kā esot ārpus savas automašīnas.
6.att. Faradeja būra dažādi izpildījumi
Ievietojot, piemēram, vadītāja lodi elektriskajā laukā, nav tā, ka elektriskā lauka intensitāte vadītājā iekšpusē uzreiz ir vienāda ar nulli. Vispirms vadītājā notiek lādiņu pārdale, brīvajiem lādiņiem novietojoties uz vadītāja virsmas (1. att. a), kas vēlāk rada ārējam elektriskajam laukam pretēji vērstu elektrisko lauku. Tikai pēc tam elektriskie lauki vadītāja iekšpusē kompensējas (1. att. b). Ārējā elektriskā lauka intensitātes līnijām piemīt īpašība novietoties perpendikulāri vadītāja virsmai, tādēļ elektriskā lauka līnijas pie vadītāja izliecas un „ietek” vadītājā (1. att.).
1.att. Metāla lode ārējā elektriskajā laukā
Tā kā ārēja elektriskā lauka ietekmē brīvie lādiņi izvietojas uz vadītāja virsmas, tad vadītāja ar čaulu gadījumā elektriskais lauks uzvedas līdzīgi kā vadītāja lodes gadījumā: uz virsmas esošie lādiņi rada elektrisko lauku, kas darbojas ārējam laukam pretējā virzienā, tādēļ čaulas iekšpusē elektriskais lauks ir vienāds ar nulli (2. att.).
2.att. Metāla čaula ārējā elektriskajā laukā
Lādiņu izvietojuma blīvums uz vadītāja virsmas ir cieši saistīts ar vadītāja ķermeņa formu. Lodei liekuma rādiuss viscaur ir vienāds, tādēļ lādiņi uz virsmas ir izvietojušies vienmērīgi, bet, jo lielāks ir virsmas liekuma rādiuss, jo retāk izvietojas lādiņi. Tādēļ visvairāk lādiņu novietojas uz vadītāja virsmas spicākajām vietām (3. att.). Šī iemesla dēļ zibens biežāk iesper smailos objektos, piemēram, baznīcas torņos, jo spicajās vietās ir sakoncentrējies liels lādiņu daudzums. Tādēļ arī zibens novadītājus veido pēc iespējas spicākus. Zibens novadītājiem, protams, svarīgi ir arī tas, ka tie atrodas pēc iespējas augstāk, lai zibeni izraisošie mākoņi atrastos pēc iespējas tuvāk.
Paspēlējies ar ķermeņa formu un lādīņu te.
3.att. Lādiņu izvietojums dažādas formas ķermeņos