Metalai ir dielektrikai – kokie skirtumai?

Metalai

Metalo valentiniai elektronai yra silpnai susieti su savo atomais. Kai metalo atomai, kondensuojantys iš metalo garų, sudaro skystą arba kietą metalą, išoriniai elektronai nebėra susieti su atskirais atomais ir gali laisvai judėti kūne.

Šie elektronai yra atsakingi už gerai žinomą reikšmingą metalų laidumą ir vadinami laidumo elektronais.

Metalo atomai, atėmę valentinius elektronus, ty teigiamus jonus, sudaro kristalinę gardelę.

Kristalinėje gardelėje jonai atlieka chaotiškus virpesius aplink savo pusiausvyros superpoziciją, vadinamą gardelės vietomis. Šios vibracijos atspindi šiluminį gardelės judėjimą ir didėja didėjant temperatūrai.

Laidumo elektronai, kai metale nėra elektrinio lauko, atsitiktinai juda tūkstančiais kilometrų per sekundę greičiu.

Kai metalinei vielai įjungiama įtampa, laidumo elektronai, nesusilpnindami jų chaotiško judėjimo, elektros lauko išilgai vielos nunešami gana lėtai.

Esant šiam nuokrypiui, visi elektronai, be chaotiško greičio, įgyja nedidelį tvarkingo judėjimo greitį (pvz., milimetrų per sekundę). Šis silpnai sutvarkytas k judėjimas sukelia elektros srovė laidu.

Dielektrikai

Visiškai kitokia situacija yra su kitomis medžiagomis, kurios turi tokį pavadinimą izoliatoriai (fizikos kalba — dielektrikai). Dielektrikuose atomai vibruoja apie pusiausvyrą taip pat, kaip ir metaluose, tačiau juose yra pilnas elektronų komplektas.

Dielektrikų atomų išoriniai elektronai yra stipriai susieti su savo atomais ir juos atskirti nėra taip paprasta. Norėdami tai padaryti, turite žymiai padidinti dielektriko temperatūrą arba paveikti jį tam tikra intensyvia spinduliuote, kuri gali pašalinti elektronus iš atomų. Įprastoje būsenoje dielektrike nėra laidumo elektronų, o dielektrikai neneša srovės.

Dauguma dielektrikų yra ne atominiai, o molekuliniai kristalai arba skysčiai. Tai reiškia, kad gardelės vietos yra ne atomai, o molekulės.

Daugelis molekulių susideda iš dviejų atomų grupių arba tik dviejų atomų, iš kurių viena yra teigiama elektriškai, o kita – neigiama (tai vadinamos polinėmis molekulėmis). Pavyzdžiui, vandens molekulėje abu vandenilio atomai yra teigiamoji dalis, o deguonies atomas, aplink kurį dažniausiai sukasi vandenilio atomų elektronai, yra neigiamas.

Du vienodo dydžio, bet priešingo ženklo krūviai, esantys labai mažu atstumu vienas nuo kito, vadinami dipoliu. Poliarinės molekulės yra dipolių pavyzdžiai.

Jei molekulės nėra sudarytos iš priešingai įkrautų jonų (įkrautų atomų), tai yra, jos nėra polinės ir neatstovauja dipoliams, tada veikiamos elektrinio lauko jos tampa dipoliais.

Elektrinis laukas traukia teigiamus krūvius, įtrauktus į molekulės (pavyzdžiui, branduolio) sudėtį, viena kryptimi, o neigiamus – kita ir, išstumdamas juos, sukuria dipolius.

Tokie dipoliai vadinami elastingais – laukas juos ištempia kaip spyruoklė. Dielektriko, turinčio nepolines molekules, elgesys mažai skiriasi nuo dielektriko, turinčio polines molekules, elgesio, ir manysime, kad dielektriko molekulės yra dipoliai.

Jei dielektriko gabalėlis patalpinamas į elektrinį lauką, tai yra, į dielektriką, kuris turi, pavyzdžiui, teigiamą pavarą, atnešamas elektra įkrautas kūnas, dipolio molekulių neigiami jonai bus pritraukti prie šio krūvio ir teigiami jonai bus atstumti. Todėl dipolio molekulės suksis. Šis sukimasis vadinamas orientacija.

Orientacija neatspindi visiško visų dielektrinių molekulių sukimosi. Atsitiktinai tam tikru metu paimta molekulė gali būti atsukta į lauką, ir tik vidutinis molekulių skaičius yra silpnai orientuotas į lauką (ty daugiau molekulių yra atsuktos į lauką nei priešinga kryptimi).

Orientuotis trukdo šiluminis judėjimas – chaotiški molekulių virpesiai aplink jų pusiausvyros padėtis. Kuo žemesnė temperatūra, tuo stipresnė tam tikro lauko sukeliama molekulių orientacija. Kita vertus, esant tam tikrai temperatūrai, orientacija natūraliai yra tuo stipresnis laukas.

Dielektrinė poliarizacija

Dėl dielektrikų molekulių orientacijos ant paviršiaus, nukreipto į teigiamą krūvį, atsiranda neigiami dipolio molekulių galai, o teigiami - priešingame paviršiuje.

Ant dielektriko paviršių, elektros krūviai… Šie krūviai vadinami poliarizacijos krūviais, o jų atsiradimas vadinamas dielektrinės poliarizacijos procesu.

Kaip matyti iš aukščiau, poliarizacija, priklausomai nuo dielektriko tipo, gali būti orientacinė (orientuojamos paruoštos dipolio molekulės) ir deformacinė arba elektroninio poslinkio poliarizacija (elektriniame lauke esančios molekulės deformuojasi, tampa dipoliais).

Gali kilti klausimas, kodėl poliarizacijos krūviai susidaro tik ant dielektriko paviršių, o ne jo viduje? Tai paaiškinama tuo, kad dielektriko viduje teigiami ir neigiami dipolio molekulių galai tiesiog panaikinami. Kompensacijos nebus tik dielektriko paviršiuose arba dviejų dielektrikų sąsajoje, taip pat nehomogeniškame dielektrike.

Jei dielektrikas yra poliarizuotas, tai nereiškia, kad jis yra įkrautas, tai yra, jis turi bendrą elektros krūvį. Esant poliarizacijai, bendras dielektriko krūvis nekinta. Tačiau dielektrikui gali būti suteiktas krūvis, perkeliant į jį tam tikrą skaičių elektronų iš išorės arba paimant tam tikrą skaičių savo elektronų. Pirmuoju atveju dielektrikas bus įkrautas neigiamai, o antruoju - teigiamai.

Toks elektrifikavimas gali būti pagamintas, pavyzdžiui, naudojant dėl trinties… Jei ant šilko trinsite stiklinę lazdelę, lazdelė ir šilkas bus įkrauti priešingais krūviais (stiklas – teigiamas, šilkas – neigiamas).Tokiu atveju iš stiklo lazdelės bus parinktas tam tikras elektronų skaičius (labai maža dalis visų elektronų, priklausančių visiems stiklo lazdelės atomams).

Taigi, metaluose ir kituose laidininkuose (pvz., elektrolitų) krūviai gali laisvai judėti kūne. Kita vertus, dielektrikai nelaidūs, o juose krūviai negali judėti makroskopiniais (ty dideliais, palyginti su atomų ir molekulių dydžiu) atstumais. Elektriniame lauke dielektrikas yra tik poliarizuotas.

Dielektrinė poliarizacija esant lauko stiprumui, kuris neviršija tam tikrų tam tikros medžiagos verčių, yra proporcingas lauko stiprumui.

Tačiau didėjant įtampai, vidinės jėgos, surišančios skirtingų ženklų elementarias daleles molekulėse, tampa nepakankamos, kad išlaikytų tas daleles molekulėse. Tada iš molekulių išmetami elektronai, molekulė jonizuojasi ir dielektrikas praranda savo izoliacines savybes. įvyksta dielektrinis skilimas.

Elektrinio lauko stiprumo vertė, kuriai esant prasideda dielektriko skilimas, vadinama skilimo gradientu arba dielektrinė stipris.