Metaller og dielektriske stoffer – hva er forskjellene?

Metaller

Valenselektronene til et metall er svakt bundet til atomene deres. Når metallatomer som kondenserer fra metalldamp danner et flytende eller fast metall, er de ytre elektronene ikke lenger bundet til individuelle atomer og kan bevege seg fritt i kroppen.

Disse elektronene er ansvarlige for den velkjente betydelige ledningsevnen til metaller, og de kalles ledningselektroner.

Metallatomer strippet for valenselektronene, dvs. positive ioner, utgjør krystallgitteret.

I krystallgitteret utfører ioner kaotiske svingninger rundt deres superposisjon av likevekt, kalt gittersteder. Disse vibrasjonene representerer den termiske bevegelsen til gitteret og øker med økende temperatur.

Ledningselektroner i fravær av et elektrisk felt i metallet beveger seg tilfeldig med hastigheter i størrelsesorden tusenvis av kilometer per sekund.

Når en spenning påføres en metalltråd, blir ledningselektronene, uten å svekke deres kaotiske bevegelse, ført bort relativt sakte av et elektrisk felt langs ledningen.

Med dette avviket får alle elektroner, i tillegg til den kaotiske hastigheten, en liten hastighet med ordnet bevegelse (i størrelsesorden for eksempel millimeter per sekund). Denne svakt ordnede bevegelsen av k årsaker elektrisk strøm i en ledning.

Dielektrikk

Helt annerledes er situasjonen med andre stoffer som bærer navnet isolatorer (på fysikkens språk — dielektrikk). I dielektrikum vibrerer atomene om likevekt på samme måte som i metaller, men de har et fullt komplement av elektroner.

De ytre elektronene til dielektriske atomer er sterkt bundet til atomene deres, og det er ikke så lett å skille dem. For å gjøre dette må du øke temperaturen på dielektrikumet betydelig eller utsette det for en slags intens stråling som kan fjerne elektroner fra atomer. I vanlig tilstand er det ingen ledningselektroner i et dielektrikum og dielektrikum fører ikke strøm.

De fleste dielektrika er ikke atomære, men molekylære krystaller eller væsker. Dette betyr at gitterstedene ikke er atomer, men molekyler.

Mange molekyler består av to grupper atomer eller bare to atomer, hvorav det ene er elektrisk positivt og det andre negativt (disse kalles polare molekyler). For eksempel, i et vannmolekyl er begge hydrogenatomene den positive delen, og oksygenatomet, som elektronene til hydrogenatomene dreier seg om mesteparten av tiden, er negative.

To ladninger av samme størrelse, men motsatt i fortegn plassert i svært liten avstand fra hverandre, kalles en dipol. Polare molekyler er eksempler på dipoler.

Hvis molekylene ikke består av motsatt ladede ioner (ladede atomer), det vil si at de ikke er polare og ikke representerer dipoler, så blir de dipoler under påvirkning av et elektrisk felt.

Det elektriske feltet trekker positive ladninger, som er inkludert i sammensetningen av et molekyl (for eksempel en kjerne), i én retning, og negative ladninger i den andre, og skyver dem fra hverandre, skaper dipoler.

Slike dipoler kalles elastiske - feltet strekker dem som en fjær. Oppførselen til et dielektrikum med upolare molekyler skiller seg lite fra oppførselen til et dielektrikum med polare molekyler, og vi vil anta at de dielektriske molekylene er dipoler.

Hvis et stykke dielektrikum plasseres i et elektrisk felt, det vil si at et elektrisk ladet legeme bringes til dielektrikumet, som for eksempel har et positivt gir, vil de negative ionene til dipolmolekylene bli tiltrukket av denne ladningen, og positive ioner vil bli frastøtt. Derfor vil dipolmolekylene rotere. Denne rotasjonen kalles orientering.

Orienteringen representerer ikke en fullstendig rotasjon av alle de dielektriske molekylene. Et molekyl tatt tilfeldig på et gitt tidspunkt kan ende opp med å vende mot feltet, og bare et gjennomsnittlig antall molekyler har en svak orientering til feltet (dvs. flere molekyler vender mot feltet enn i motsatt retning).

Orientering hindres av termisk bevegelse - kaotiske vibrasjoner av molekyler rundt deres likevektsposisjoner. Jo lavere temperatur, desto sterkere er orienteringen til molekylene forårsaket av et gitt felt. På den annen side, ved en gitt temperatur er orienteringen naturlig nok sterkere feltet.

Dielektrisk polarisering

Som et resultat av orienteringen av de dielektriske molekylene på overflaten som vender mot den positive ladningen, vises de negative endene av dipolmolekylene, og de positive på den motsatte overflaten.

På overflatene til dielektrikumet, elektriske ladninger… Disse ladningene kalles polarisasjonsladninger og deres forekomst kalles prosessen med dielektrisk polarisering.

Som det følger av det ovenstående, kan polarisering, avhengig av typen dielektrisk, være orienterende (ferdige dipolmolekyler er orientert) og deformasjon eller elektronisk forskyvning polarisering (molekyler i et elektrisk felt deformeres og blir dipoler).

Spørsmålet kan oppstå hvorfor polarisasjonsladninger bare dannes på overflatene til dielektrikumet og ikke inne i det? Dette forklares av det faktum at inne i dielektrikumet kansellerer de positive og negative ender av dipolmolekylene ganske enkelt. Kompensasjon vil være fraværende bare på overflatene til et dielektrikum eller ved grensesnittet mellom to dielektrikum, så vel som i et inhomogent dielektrikum.

Hvis dielektrikumet er polarisert, betyr det ikke at det er ladet, det vil si at det har en total elektrisk ladning. Med polarisering endres ikke den totale ladningen til dielektrikumet. Imidlertid kan en ladning overføres til et dielektrikum ved å overføre et visst antall elektroner til det fra utsiden eller ta et visst antall av dets egne elektroner. I det første tilfellet vil dielektrikumet være negativt ladet, og i det andre - positivt ladet.

Slik elektrifisering kan produseres for eksempel ved ved friksjon… Hvis du gnir en glassstang på silke, vil stangen og silken bli ladet med motsatte ladninger (glass - positiv, silke - negativ).I dette tilfellet vil et visst antall elektroner bli valgt fra glassstangen (en svært liten brøkdel av det totale antallet elektroner som tilhører alle atomene i glassstangen).

Så, i metaller og andre ledere (f.eks. elektrolytter) ladninger kan bevege seg fritt i kroppen. Dielektriske stoffer, derimot, leder ikke, og i dem kan ikke ladninger bevege seg makroskopiske (dvs. store i forhold til størrelsen på atomer og molekyler) avstander. I et elektrisk felt er dielektrikumet bare polarisert.

Dielektrisk polarisering ved en feltstyrke som ikke overstiger visse verdier for et gitt materiale er proporsjonal med feltstyrken.

Når spenningen øker, blir imidlertid de indre kreftene som binder elementærpartikler med forskjellige fortegn i molekylene utilstrekkelige til å holde disse partiklene i molekylene. Deretter blir elektronene kastet ut fra molekylene, molekylet ioniseres og dielektrikumet mister sine isolerende egenskaper — dielektrisk sammenbrudd oppstår.

Verdien av den elektriske feltstyrken som dielektrisk sammenbrudd begynner ved kalles sammenbruddsgradienten, eller dielektrisk styrke.