Dlaczego dielektryki nie przewodzą prądu

Aby odpowiedzieć na pytanie „dlaczego dielektryk nie przewodzi prądu?” o pojawieniu się i istnieniu prądu elektrycznego… A następnie porównajmy, jak zachowują się przewodniki i dielektryki w związku ze znalezieniem odpowiedzi na to pytanie.

Aktualny

Nazywa się prąd elektryczny uporządkowany, to znaczy ukierunkowany ruch naładowanych cząstek pole elektryczne… Tak więc, po pierwsze, istnienie prądu elektrycznego wymaga obecności swobodnie naładowanych cząstek zdolnych do poruszania się w określony sposób. Po drugie, do napędzania tych ładunków potrzebne jest pole elektryczne. I oczywiście musi istnieć pewna przestrzeń, w której odbywa się ten ruch naładowanych cząstek, zwany prądem elektrycznym.

Swobodnie naładowane cząstki występują obficie w przewodnikach: w metalach, elektrolitach, plazmie. W przewodniku miedzianym są to na przykład wolne elektrony, w elektrolicie - jony, na przykład jony kwasu siarkowego (wodór i tlenek siarki) w akumulatorze ołowiowo-kwasowym, w plazmie - jony i elektrony, to one poruszają się podczas wyładowania elektrycznego w zjonizowanym gazie.

Metal

Na przykład weźmy dwa kawałki drutu miedzianego i użyjmy ich do podłączenia małej żarówki do baterii. Co się stanie? Światło zacznie świecić, co oznacza, że ​​a prąd elektryczny stały… Pomiędzy końcami przewodów powstaje teraz różnica potencjałów wytworzona przez akumulator, co oznacza, że ​​wewnątrz przewodu zaczęło działać pole elektryczne.

Pole elektryczne zmusza elektrony zewnętrznych powłok atomów miedzi do poruszania się w kierunku pola — od atomu do atomu, od atomu do następnego atomu i tak dalej wzdłuż łańcucha, ponieważ elektrony zewnętrznych powłok metalu atomy są znacznie słabiej związane z jądrami niż elektrony bliżej jąder orbit elektronowych. Z miejsca, w którym pozostawiono elektron, kolejny elektron pochodzi z ujemnego bieguna baterii, to znaczy elektrony poruszają się swobodnie wzdłuż metalowego łańcucha, łatwo zmieniając przynależność do atomów.

Wydaje się, że tworzą się wzdłuż sieci krystalicznej metalu w kierunku, w którym są popychane, próbując przyspieszyć pole elektryczne (od minusa do plusa stałego źródła pola elektromagnetycznego), podczas gdy elektrony przylegają do atomów sieci krystalicznej na całej ich drodze.

Niektóre elektrony w trakcie swojego ruchu rozpadają się na atomy (dzięki temu, że ruch termiczny wprawia w drgania całą strukturę atomów razem z elektronami), w wyniku czego przewodnik się nagrzewa – tak to się objawia opór elektryczny przewodów.

Swobodne elektrony w metalu

Badanie metali za pomocą promieni rentgenowskich, a także innych metod, wykazało, że metale mają strukturę krystaliczną.Oznacza to, że składają się one z atomów lub cząsteczek ułożonych w określony sposób w przestrzeni (kolejność jonów), które tworzą prawidłową przemianę we wszystkich trzech wymiarach.

W tych warunkach atomy pierwiastków znajdują się tak blisko siebie, że ich zewnętrzne elektrony należą do tego atomu w takim samym stopniu jak do sąsiednich, w wyniku czego stopień związania elektronu z każdym pojedynczym atomem jest praktycznie nieobecny.

W zależności od rodzaju metalu co najmniej jeden z elektronów każdego atomu, czasem dwa elektrony, aw niektórych przypadkach nawet trzy elektrony poruszają się swobodnie w metalu pod wpływem sił zewnętrznych.

Dielektryk

Co znajduje się w dielektryku? Jeśli zamiast drutów miedzianych weźmiesz plastik, papier lub coś podobnego? Nie będzie prądu, nie zapali się światło. Dlaczego? Struktura dielektryka jest taka, że ​​składa się z obojętnych cząsteczek, które nawet pod działaniem pola elektrycznego nie uwalniają swoich elektronów w uporządkowanym ruchu — po prostu nie mogą. W dielektryku nie ma swobodnych elektronów przewodzących, jak w metalu.

Zewnętrzne elektrony w atomie dowolnej cząsteczki dielektryka są ciasno upakowane, ponadto uczestniczą w wewnętrznych wiązaniach cząsteczki, podczas gdy cząsteczki takiej substancji są zwykle elektrycznie obojętne. Jedyne, co mogą zrobić cząsteczki dielektryczne, to polaryzować.

Pod wpływem przyłożonego do nich pola elektrycznego związane z nimi ładunki elektryczne każdej cząsteczki po prostu nieznacznie przesuną się z położenia równowagi, podczas gdy każda naładowana cząsteczka pozostanie we własnym atomie. Zjawisko to nazywane jest przemieszczeniem ładunku polaryzacja dielektryczna.

W wyniku polaryzacji na powierzchni dielektryka spolaryzowanego w ten sposób przez przyłożone do niego pole elektryczne pojawiają się ładunki, które mają tendencję do zmniejszania zewnętrznego pola elektrycznego powodującego polaryzację z ich polem elektrycznym. Zdolność dielektryka do osłabiania w ten sposób zewnętrznego pola elektrycznego nazywa się stała dielektryczna.