Metaller och dielektrika – vilka är skillnaderna?

Metaller

Valenselektronerna i en metall är svagt bundna till sina atomer. När metallatomer som kondenserar från metallångor bildar en flytande eller fast metall, är de yttre elektronerna inte längre bundna till enskilda atomer och kan röra sig fritt i kroppen.

Dessa elektroner är ansvariga för den välkända betydande ledningsförmågan hos metaller och de kallas ledningselektroner.

Metallatomer strippade från sina valenselektroner, dvs positiva joner, utgör kristallgittret.

I kristallgittret utför joner kaotiska svängningar runt deras överlagring av jämvikt, kallade gitterplatser. Dessa vibrationer representerar gittrets termiska rörelse och ökar med ökande temperatur.

Ledningselektroner i frånvaro av ett elektriskt fält i metallen rör sig slumpmässigt med hastigheter av storleksordningen tusentals kilometer per sekund.

När en spänning läggs på en metalltråd förs ledningselektronerna, utan att försvaga deras kaotiska rörelse, relativt långsamt bort av ett elektriskt fält längs ledningen.

Med denna avvikelse får alla elektroner, förutom den kaotiska hastigheten, en liten hastighet av ordnad rörelse (i storleksordningen t.ex. millimeter per sekund). Denna svagt ordnade rörelse av k orsaker elektrisk ström i en tråd.

Dielektrik

Helt annorlunda är situationen med andra ämnen som bär namnet isolatorer (på fysikens språk — dielektrik). I dielektrika vibrerar atomerna kring jämvikt på samma sätt som i metaller, men de har ett fullt komplement av elektroner.

De yttre elektronerna hos dielektriska atomer är starkt bundna till sina atomer och det är inte så lätt att separera dem. För att göra detta måste du avsevärt öka temperaturen på dielektrikumet eller utsätta det för någon form av intensiv strålning som kan avlägsna elektroner från atomer. I det vanliga tillståndet finns det inga ledningselektroner i ett dielektrikum och dielektrikum leder inte ström.

De flesta dielektrika är inte atomära utan molekylära kristaller eller vätskor. Det betyder att gitterställena inte är atomer, utan molekyler.

Många molekyler består av två grupper av atomer eller bara två atomer, varav en är elektriskt positiv och den andra negativ (dessa kallas polära molekyler). Till exempel, i en vattenmolekyl är båda väteatomerna den positiva delen, och syreatomen, runt vilken väteatomernas elektroner kretsar mest hela tiden, är negativa.

Två laddningar av samma storlek men motsatt i tecken som ligger på mycket litet avstånd från varandra kallas en dipol. Polära molekyler är exempel på dipoler.

Om molekylerna inte består av motsatt laddade joner (laddade atomer), det vill säga att de inte är polära och inte representerar dipoler, så blir de dipoler under inverkan av ett elektriskt fält.

Det elektriska fältet drar positiva laddningar, som ingår i sammansättningen av en molekyl (till exempel en kärna), i en riktning och negativa laddningar i den andra och skapar dipoler genom att trycka isär dem.

Sådana dipoler kallas elastiska — fältet sträcker dem som en fjäder. Beteendet hos ett dielektrikum med opolära molekyler skiljer sig lite från beteendet hos ett dielektrikum med polära molekyler, och vi kommer att anta att de dielektriska molekylerna är dipoler.

Om en bit dielektrikum placeras i ett elektriskt fält, det vill säga en elektriskt laddad kropp förs till dielektrikumet, som till exempel har en positiv växel, kommer de negativa jonerna hos dipolmolekylerna att attraheras till denna laddning, och positiva joner kommer att stötas bort. Därför kommer dipolmolekylerna att rotera. Denna rotation kallas orientering.

Orienteringen representerar inte en fullständig rotation av alla de dielektriska molekylerna. En molekyl som tas slumpmässigt vid en given tidpunkt kan hamna vänd mot fältet, och endast ett genomsnittligt antal molekyler har en svag orientering mot fältet (dvs fler molekyler är vända mot fältet än i motsatt riktning).

Orientering hindras av termisk rörelse - kaotiska vibrationer av molekyler runt deras jämviktspositioner. Ju lägre temperatur, desto starkare är orienteringen av molekylerna orsakade av ett givet fält. Å andra sidan, vid en given temperatur är orienteringen naturligtvis starkare fältet.

Dielektrisk polarisation

Som ett resultat av orienteringen av de dielektriska molekylerna på ytan som är vänd mot den positiva laddningen uppträder de negativa ändarna av dipolmolekylerna och de positiva på den motsatta ytan.

På dielektrikumets ytor, elektriska laddningar… Dessa laddningar kallas polarisationsladdningar och deras förekomst kallas processen för dielektrisk polarisering.

Som följer av ovanstående kan polarisering, beroende på typen av dielektrikum, vara orienterande (färdiga dipolmolekyler är orienterade) och deformation eller elektronisk förskjutningspolarisation (molekyler i ett elektriskt fält deformeras och blir dipoler).

Frågan kan uppstå varför polarisationsladdningar endast bildas på dielektrikets ytor och inte inuti det? Detta förklaras av det faktum att inuti dielektrikumet avbryter de positiva och negativa ändarna av dipolmolekylerna helt enkelt. Kompensation kommer endast att saknas vid ytorna av ett dielektrikum eller vid gränssnittet mellan två dielektrikum, såväl som i ett inhomogent dielektrikum.

Om dielektrikumet är polariserat betyder det inte att det är laddat, det vill säga att det har en total elektrisk laddning. Med polarisering förändras inte den totala laddningen av dielektrikumet. En laddning kan dock överföras till ett dielektrikum genom att överföra ett visst antal elektroner till det utifrån eller ta ett visst antal av dess egna elektroner. I det första fallet kommer dielektriket att vara negativt laddat, och i det andra - positivt laddat.

Sådan elektrifiering kan produceras t.ex genom friktion… Om du gnuggar en glasstav på siden, kommer staven och siden att laddas med motsatta laddningar (glas - positivt, siden - negativt).I det här fallet kommer ett visst antal elektroner att väljas från glasstaven (en mycket liten del av det totala antalet elektroner som tillhör alla atomer i glasstaven).

Så, i metaller och andra ledare (t.ex. elektrolyter) laddningar kan röra sig fritt i kroppen. Dielektrika, å andra sidan, leder inte, och i dem kan laddningar inte röra sig makroskopiska (dvs stora jämfört med storleken på atomer och molekyler) avstånd. I ett elektriskt fält är dielektrikumet endast polariserat.

Dielektrisk polarisation vid en fältstyrka som inte överstiger vissa värden för ett givet material är proportionell mot fältstyrkan.

När spänningen ökar blir dock de inre krafterna som binder elementarpartiklar med olika tecken i molekylerna otillräckliga för att hålla dessa partiklar i molekylerna. Sedan stöts elektronerna ut från molekylerna, molekylen joniseras och dielektrikumet förlorar sina isolerande egenskaper — dielektriskt nedbrytning inträffar.

Värdet på den elektriska fältstyrkan vid vilken dielektrisk nedbrytning börjar kallas nedbrytningsgradienten, eller dielektrisk styrka.