Metale și dielectrice - Care sunt diferențele?

Metalele

Electronii de valență ai unui metal sunt legați slab de atomii lor. Când atomii de metal care se condensează din vaporii de metal formează un metal lichid sau solid, electronii exteriori nu mai sunt legați de atomii individuali și se pot mișca liber în corp.

Acești electroni sunt responsabili pentru binecunoscuta conductivitate semnificativă a metalelor și se numesc electroni de conducere.

Atomii metalici lipsiți de electronii lor de valență, adică ionii pozitivi, formează rețeaua cristalină.

În rețeaua cristalină, ionii efectuează oscilații haotice în jurul suprapunerii lor de echilibru, numite locuri de rețea. Aceste vibrații reprezintă mișcarea termică a rețelei și cresc cu creșterea temperaturii.

Electronii de conducere în absența unui câmp electric în metal se mișcă aleatoriu la viteze de ordinul a mii de kilometri pe secundă.

Când se aplică o tensiune unui fir metalic, electronii de conducere, fără a le slăbi mișcarea haotică, sunt transportați relativ lent de un câmp electric de-a lungul firului.

Cu această abatere, toți electronii dobândesc, pe lângă viteza haotică, o viteză mică de mișcare ordonată (de ordinul, de exemplu, milimetri pe secundă). Această mișcare slab ordonată a lui k cauzează curent electric într-un fir.

Dielectrice

Cu totul alta situatia este cu alte substante care poarta numele izolatoare (în limbajul fizicii — dielectrici). În dielectrici, atomii vibrează în jurul echilibrului în același mod ca în metale, dar au o gamă completă de electroni.

Electronii exteriori ai atomilor dielectrici sunt puternic legați de atomii lor și nu este atât de ușor să îi separați. Pentru a face acest lucru, trebuie să creșteți semnificativ temperatura dielectricului sau să îl supuneți unui fel de radiație intensă care poate îndepărta electronii din atomi. În starea obișnuită, nu există electroni de conducere într-un dielectric, iar dielectricii nu transportă curent.

Majoritatea dielectricilor nu sunt cristale atomice, ci moleculare sau lichide. Aceasta înseamnă că site-urile rețelei nu sunt atomi, ci molecule.

Multe molecule constau din două grupuri de atomi sau doar doi atomi, dintre care unul este electric pozitiv și celălalt negativ (acestea se numesc molecule polare). De exemplu, într-o moleculă de apă, ambii atomi de hidrogen sunt partea pozitivă, iar atomul de oxigen, în jurul căruia se învârt de cele mai multe ori electronii atomilor de hidrogen, sunt negativi.

Două sarcini de mărime egală, dar cu semn opus, situate la o distanță foarte mică una de cealaltă, se numesc dipol. Moleculele polare sunt exemple de dipoli.

Dacă moleculele nu sunt formate din ioni încărcați opus (atomi încărcați), adică nu sunt polari și nu reprezintă dipoli, atunci devin dipoli sub acțiunea unui câmp electric.

Câmpul electric trage sarcini pozitive, care sunt incluse în compoziția unei molecule (de exemplu, un nucleu), într-o direcție, și sarcini negative în cealaltă și, împingându-le, creează dipoli.

Astfel de dipoli sunt numiți elastici - câmpul îi întinde ca un arc. Comportamentul unui dielectric cu molecule nepolare diferă puțin de comportamentul unui dielectric cu molecule polare și vom presupune că moleculele dielectrice sunt dipoli.

Dacă o bucată de dielectric este plasată într-un câmp electric, adică un corp încărcat electric este adus la dielectric, care are, de exemplu, un angrenaj pozitiv, ionii negativi ai moleculelor dipol vor fi atrași de această sarcină, iar ionii pozitivi vor fi respinși. Prin urmare, moleculele dipol se vor roti. Această rotație se numește orientare.

Orientarea nu reprezintă o rotație completă a tuturor moleculelor dielectrice. O moleculă luată la întâmplare la un moment dat poate ajunge în fața câmpului și doar un număr mediu de molecule au o orientare slabă față de câmp (adică, mai multe molecule sunt orientate către câmp decât în ​​direcția opusă).

Orientarea este împiedicată de mișcarea termică - vibrațiile haotice ale moleculelor în jurul pozițiilor lor de echilibru. Cu cât temperatura este mai mică, cu atât mai puternică este orientarea moleculelor cauzată de un anumit câmp. Pe de altă parte, la o temperatură dată, orientarea este în mod natural cu cât câmpul este mai puternic.

Polarizare dielectrică

Ca urmare a orientării moleculelor dielectrice pe suprafața îndreptată spre sarcina pozitivă, apar capetele negative ale moleculelor dipol, iar cele pozitive pe suprafața opusă.

Pe suprafețele dielectricului, sarcini electrice… Aceste sarcini se numesc sarcini de polarizare, iar apariția lor se numește procesul de polarizare dielectrică.

După cum rezultă din cele de mai sus, polarizarea, în funcție de tipul dielectricului, poate fi orientativă (moleculele de dipol gata făcute sunt orientate) și polarizare de deformare sau deplasare electronică (moleculele dintr-un câmp electric sunt deformate, devenind dipoli).

Poate apărea întrebarea de ce sarcinile de polarizare se formează numai pe suprafețele dielectricului și nu în interiorul acestuia? Acest lucru se explică prin faptul că în interiorul dielectricului capetele pozitive și negative ale moleculelor dipol pur și simplu se anulează. Compensarea va fi absentă numai la suprafețele unui dielectric sau la interfața dintre doi dielectrici, precum și într-un dielectric neomogen.

Daca dielectricul este polarizat, nu inseamna ca este incarcat, adica are sarcina electrica totala. Odată cu polarizarea, sarcina totală a dielectricului nu se modifică. Cu toate acestea, o sarcină poate fi transmisă unui dielectric prin transferul unui anumit număr de electroni din exterior sau luând un anumit număr de electroni proprii. În primul caz, dielectricul va fi încărcat negativ, iar în al doilea - încărcat pozitiv.

O astfel de electrificare poate fi produsă, de exemplu, de prin frecare… Dacă freci o baghetă de sticlă pe mătase, atunci tija și mătasea vor fi încărcate cu sarcini opuse (sticlă - pozitivă, mătase - negativă).În acest caz, un anumit număr de electroni va fi selectat din tija de sticlă (o fracțiune foarte mică din numărul total de electroni aparținând tuturor atomilor tijei de sticlă).

Asa de, în metale şi alţi conductori (de exemplu, electroliți) încărcăturile se pot mișca liber în corp. Dielectricii, pe de altă parte, nu conduc, iar în ei sarcinile nu se pot deplasa pe distanțe macroscopice (adică mari în comparație cu dimensiunea atomilor și moleculelor). Într-un câmp electric, dielectricul este doar polarizat.

Polarizare dielectrică la o intensitate a câmpului care nu depășește anumite valori pentru un anumit material este proporțională cu intensitatea câmpului.

Cu toate acestea, pe măsură ce tensiunea crește, forțele interne care leagă particulele elementare cu semne diferite în molecule devin insuficiente pentru a menține acele particule în molecule. Apoi electronii sunt ejectați din molecule, molecula este ionizată și dielectricul își pierde proprietățile izolante - are loc defectarea dielectrică.

Valoarea intensității câmpului electric la care începe defalcarea dielectrică se numește gradient de defalcare sau rezistență dielectrică.