Metaller og dielektriske stoffer - hvad er forskellene?

Metaller

Et metals valenselektroner er svagt bundet til deres atomer. Når metalatomer, der kondenserer fra metaldampe, danner et flydende eller fast metal, er de ydre elektroner ikke længere bundet til individuelle atomer og kan bevæge sig frit i kroppen.

Disse elektroner er ansvarlige for den velkendte betydelige ledningsevne af metaller, og de kaldes ledningselektroner.

Metalatomer strippet for deres valenselektroner, dvs. positive ioner, udgør krystalgitteret.

I krystalgitteret udfører ioner kaotiske svingninger omkring deres superposition af ligevægt, kaldet gittersteder. Disse vibrationer repræsenterer gitterets termiske bevægelse og stiger med stigende temperatur.

Ledningselektroner i fravær af et elektrisk felt i metallet bevæger sig tilfældigt med hastigheder i størrelsesordenen tusinder af kilometer i sekundet.

Når der tilføres en spænding til en metaltråd, bliver ledningselektronerne, uden at svække deres kaotiske bevægelse, ført relativt langsomt væk af et elektrisk felt langs ledningen.

Med denne afvigelse opnår alle elektroner, udover den kaotiske hastighed, en lille hastighed af ordnet bevægelse (af størrelsesordenen f.eks. millimeter pr. sekund). Denne svagt ordnede bevægelse af k årsager elektrisk strøm i en ledning.

Dielektrik

Helt anderledes forholder det sig med andre stoffer, der bærer navnet isolatorer (på fysikkens sprog — dielektrik). I dielektrika vibrerer atomerne omkring ligevægt på samme måde som i metaller, men de har et fuldt komplement af elektroner.

De ydre elektroner af dielektriske atomer er stærkt bundet til deres atomer, og det er ikke så let at adskille dem. For at gøre dette skal du øge temperaturen på dielektrikumet betydeligt eller udsætte det for en slags intens stråling, der kan fjerne elektroner fra atomer. I den almindelige tilstand er der ingen ledningselektroner i et dielektrikum, og dielektrikum fører ikke strøm.

De fleste dielektrika er ikke atomare, men molekylære krystaller eller væsker. Det betyder, at gitterstederne ikke er atomer, men molekyler.

Mange molekyler består af to grupper af atomer eller blot to atomer, hvoraf det ene er elektrisk positivt og det andet negativt (disse kaldes polære molekyler). For eksempel i et vandmolekyle er begge brintatomer den positive del, og oxygenatomet, som brintatomernes elektroner kredser om det meste af tiden, er negative.

To ladninger af samme størrelse, men modsat fortegn placeret i meget lille afstand fra hinanden, kaldes en dipol. Polære molekyler er eksempler på dipoler.

Hvis molekylerne ikke består af modsat ladede ioner (ladede atomer), det vil sige, at de ikke er polære og ikke repræsenterer dipoler, så bliver de dipoler under påvirkning af et elektrisk felt.

Det elektriske felt trækker positive ladninger, som indgår i sammensætningen af ​​et molekyle (for eksempel en kerne), i den ene retning, og negative ladninger i den anden, og skubber dem fra hinanden, skaber dipoler.

Sådanne dipoler kaldes elastiske - feltet strækker dem som en fjeder. Opførselen af ​​et dielektrikum med upolære molekyler adskiller sig lidt fra opførselen af ​​et dielektrikum med polære molekyler, og vi vil antage, at de dielektriske molekyler er dipoler.

Hvis et stykke dielektrikum placeres i et elektrisk felt, det vil sige, at et elektrisk ladet legeme bringes til dielektrikumet, som f.eks. har et positivt gear, vil de negative ioner af dipolmolekyler blive tiltrukket af denne ladning, og positive ioner vil blive frastødt. Derfor vil dipolmolekylerne rotere. Denne rotation kaldes orientering.

Orienteringen repræsenterer ikke en fuldstændig rotation af alle de dielektriske molekyler. Et molekyle taget tilfældigt på et givet tidspunkt kan ende med at vende mod feltet, og kun et gennemsnitligt antal molekyler har en svag orientering til feltet (dvs. flere molekyler vender mod feltet end i den modsatte retning).

Orientering hindres af termisk bevægelse - kaotiske vibrationer af molekyler omkring deres ligevægtspositioner. Jo lavere temperatur, jo stærkere er orienteringen af ​​molekylerne forårsaget af et givet felt. På den anden side er orienteringen naturligvis ved en given temperatur, jo stærkere feltet er.

Dielektrisk polarisering

Som et resultat af orienteringen af ​​de dielektriske molekyler på overfladen, der vender mod den positive ladning, vises de negative ender af dipolmolekylerne, og de positive på den modsatte overflade.

På overfladerne af dielektrikum, elektriske ladninger… Disse ladninger kaldes polarisationsladninger, og deres forekomst kaldes processen med dielektrisk polarisering.

Som det følger af ovenstående, kan polarisering, afhængigt af typen af ​​dielektrikum, være orienterende (færdige dipolmolekyler er orienteret) og deformation eller elektronisk forskydningspolarisering (molekyler i et elektrisk felt deformeres og bliver til dipoler).

Spørgsmålet kan opstå, hvorfor polarisationsladninger kun dannes på overfladerne af dielektrikumet og ikke inde i det? Dette forklares af det faktum, at inde i dielektrikumet annullerer de positive og negative ender af dipolmolekylerne simpelthen. Kompensation vil kun være fraværende ved overfladerne af et dielektrikum eller ved grænsefladen mellem to dielektrikum, såvel som i et inhomogent dielektrikum.

Hvis dielektrikumet er polariseret, betyder det ikke, at det er ladet, det vil sige, at det har en total elektrisk ladning. Med polarisering ændres den totale ladning af dielektrikumet ikke. En ladning kan dog overføres til et dielektrikum ved at overføre et vist antal elektroner til det udefra eller tage et vist antal af dets egne elektroner. I det første tilfælde vil dielektrikumet være negativt ladet, og i det andet - positivt ladet.

En sådan elektrificering kan produceres f.eks ved friktion… Hvis du gnider en glasstang på silke, så vil stangen og silken blive ladet med modsatte ladninger (glas - positiv, silke - negativ).I dette tilfælde vil et vist antal elektroner blive udvalgt fra glasstaven (en meget lille brøkdel af det samlede antal elektroner, der tilhører alle atomer i glasstaven).

Så, i metaller og andre ledere (fx elektrolytter) ladninger kan bevæge sig frit i kroppen. Dielektrika derimod leder ikke, og ladninger i dem kan ikke bevæge sig makroskopiske (dvs. store i forhold til størrelsen af ​​atomer og molekyler) afstande. I et elektrisk felt er dielektrikumet kun polariseret.

Dielektrisk polarisering ved en feltstyrke, der ikke overstiger visse værdier for et givet materiale, er proportional med feltstyrken.

Efterhånden som spændingen stiger, bliver de indre kræfter, der binder elementarpartikler med forskellige fortegn i molekylerne, utilstrækkelige til at holde disse partikler i molekylerne. Så udstødes elektronerne fra molekylerne, molekylet ioniseres og dielektrikumet mister sine isolerende egenskaber - der opstår dielektrisk nedbrydning.

Værdien af ​​den elektriske feltstyrke, ved hvilken dielektrisk nedbrydning begynder, kaldes nedbrydningsgradienten, eller dielektrisk styrke.