Metale i dielektryki — jakie są różnice?

Metale

Elektrony walencyjne metali są słabo związane z ich atomami. Kiedy atomy metalu kondensujące się z oparów metalu tworzą ciekły lub stały metal, zewnętrzne elektrony nie są już związane z pojedynczymi atomami i mogą swobodnie poruszać się w ciele.

Elektrony te są odpowiedzialne za dobrze znaną znaczną przewodność metali i nazywane są elektronami przewodnictwa.

Atomy metali pozbawione elektronów walencyjnych, czyli jonów dodatnich, tworzą sieć krystaliczną.

W sieci krystalicznej jony wykonują chaotyczne oscylacje wokół ich superpozycji równowagi, zwanych miejscami sieci. Wibracje te reprezentują ruch termiczny sieci i rosną wraz ze wzrostem temperatury.

Elektrony przewodzące w przypadku braku pola elektrycznego w metalu poruszają się losowo z prędkościami rzędu tysięcy kilometrów na sekundę.

Gdy do metalowego drutu przyłożone jest napięcie, elektrony przewodzące, nie osłabiając ich chaotycznego ruchu, są stosunkowo powoli unoszone przez pole elektryczne wzdłuż drutu.

Przy tym odchyleniu wszystkie elektrony uzyskują, oprócz prędkości chaotycznej, niewielką prędkość ruchu uporządkowanego (rzędu np. milimetrów na sekundę). Ten słabo uporządkowany ruch k powoduje prąd elektryczny w przewodzie.

Dielektryki

Zupełnie inaczej ma się sprawa z innymi substancjami, które noszą tę nazwę izolatory (w języku fizyki — dielektryki). W dielektrykach atomy drgają wokół równowagi w taki sam sposób jak w metalach, ale mają pełny zestaw elektronów.

Zewnętrzne elektrony atomów dielektryka są silnie związane z ich atomami i nie tak łatwo je rozdzielić. Aby to zrobić, musisz znacznie zwiększyć temperaturę dielektryka lub poddać go działaniu intensywnego promieniowania, które może pozbawić atomy elektronów. W stanie normalnym w dielektryku nie ma elektronów przewodzących, a dielektryki nie przewodzą prądu.

Większość dielektryków to nie atomowe, ale molekularne kryształy lub ciecze. Oznacza to, że miejscami sieciowymi nie są atomy, ale cząsteczki.

Wiele cząsteczek składa się z dwóch grup atomów lub tylko dwóch atomów, z których jeden jest elektrycznie dodatni, a drugi ujemny (nazywane są one cząsteczkami polarnymi). Na przykład w cząsteczce wody oba atomy wodoru są częścią dodatnią, a atom tlenu, wokół którego elektrony atomów wodoru krążą przez większość czasu, jest ujemny.

Dipolem nazywamy dwa ładunki o jednakowej wielkości, ale przeciwnych znakach, znajdujące się w bardzo małej odległości od siebie. Cząsteczki polarne są przykładami dipoli.

Jeśli cząsteczki nie składają się z przeciwnie naładowanych jonów (atomów naładowanych), to znaczy nie są polarne i nie reprezentują dipoli, to stają się dipolami pod wpływem pola elektrycznego.

Pole elektryczne ciągnie ładunki dodatnie, które wchodzą w skład cząsteczki (na przykład jądra) w jednym kierunku, a ładunki ujemne w drugim i rozpychając je, tworzy dipole.

Takie dipole nazywane są elastycznymi — pole rozciąga je jak sprężynę. Zachowanie dielektryka z cząsteczkami niepolarnymi niewiele różni się od zachowania dielektryka z cząsteczkami polarnymi i przyjmiemy, że cząsteczki dielektryka są dipolami.

Jeśli kawałek dielektryka zostanie umieszczony w polu elektrycznym, to znaczy do dielektryka, który ma na przykład dodatnie koło zębate, zostanie przyłożone naładowane elektrycznie ciało, to ujemne jony cząsteczek dipolowych zostaną przyciągnięte do tego ładunku, a jony dodatnie będą odpychane. Dlatego cząsteczki dipolowe będą się obracać. Ten obrót nazywa się orientacją.

Orientacja nie reprezentuje pełnego obrotu wszystkich cząsteczek dielektryka. Cząsteczka pobrana losowo w danym momencie może skończyć zwrócona w stronę pola, a tylko średnia liczba cząsteczek ma słabą orientację w polu (tj. więcej cząsteczek jest skierowanych w stronę pola niż w przeciwnym kierunku).

Orientację utrudnia ruch termiczny – chaotyczne drgania cząsteczek wokół ich pozycji równowagi. Im niższa temperatura, tym silniejsza orientacja cząsteczek spowodowana przez dane pole. Z drugiej strony, w danej temperaturze orientacja jest oczywiście tym silniejsza, im pole jest większe.

Polaryzacja dielektryczna

W wyniku orientacji cząsteczek dielektryka na powierzchni zwróconej do ładunku dodatniego pojawiają się ujemne końce cząsteczek dipolowych, a dodatnie na przeciwległej.

Na powierzchniach dielektryka ładunki elektryczne… Ładunki te nazywane są ładunkami polaryzacyjnymi, a ich występowanie procesem polaryzacji dielektrycznej.

Jak wynika z powyższego, polaryzacja, w zależności od rodzaju dielektryka, może być orientacyjna (ukierunkowane są gotowe cząsteczki dipolowe) oraz deformacyjna lub elektronowo-przemieszczeniowa (cząsteczki w polu elektrycznym ulegają deformacji, stając się dipolami).

Może pojawić się pytanie, dlaczego ładunki polaryzacyjne powstają tylko na powierzchni dielektryka, a nie wewnątrz niego? Wyjaśnia to fakt, że wewnątrz dielektryka dodatnie i ujemne końce cząsteczek dipolowych po prostu znoszą się. Kompensacja będzie nieobecna tylko na powierzchni dielektryka lub na granicy między dwoma dielektrykami, a także w niejednorodnym dielektryku.

Jeśli dielektryk jest spolaryzowany, nie oznacza to, że jest naładowany, to znaczy ma całkowity ładunek elektryczny. Przy polaryzacji całkowity ładunek dielektryka nie zmienia się. Jednak ładunek można nadać dielektrykowi, przekazując mu pewną liczbę elektronów z zewnątrz lub pobierając pewną liczbę własnych elektronów. W pierwszym przypadku dielektryk będzie naładowany ujemnie, aw drugim dodatnio.

Taką elektryfikację można uzyskać np przez tarcie… Jeśli pocierasz szklany pręt jedwabiem, to pręt i jedwab zostaną naładowane przeciwnymi ładunkami (szkło - dodatni, jedwab - ujemny).W tym przypadku ze szklanego pręta zostanie wybrana pewna liczba elektronów (bardzo mały ułamek całkowitej liczby elektronów należących do wszystkich atomów szklanego pręta).

Więc, w metalach i innych przewodnikach (np. elektrolity) ładunki mogą się swobodnie przemieszczać w ciele. Z drugiej strony dielektryki nie przewodzą, aw nich ładunki nie mogą przemieszczać się na makroskopowe (tj. duże w porównaniu z rozmiarami atomów i cząsteczek) odległości. W polu elektrycznym dielektryk jest tylko spolaryzowany.

Polaryzacja dielektryczna przy natężeniu pola nieprzekraczającym pewnych wartości dla danego materiału jest proporcjonalne do natężenia pola.

Jednak wraz ze wzrostem napięcia siły wewnętrzne, które wiążą cząstki elementarne o różnych znakach w cząsteczkach, stają się niewystarczające do utrzymania tych cząstek w cząsteczkach. Następnie elektrony są wyrzucane z cząsteczek, cząsteczka ulega jonizacji, a dielektryk traci swoje właściwości izolacyjne — następuje przebicie dielektryczne.

Wartość natężenia pola elektrycznego, przy której rozpoczyna się przebicie dielektryka, nazywana jest gradientem przebicia, lub Wytrzymałość dielektryczna.