Метали и диелектрици — какви са разликите

Метали

Валентните електрони на метал са слабо свързани с техните атоми. Когато металните атоми, кондензиращи се от метални пари, образуват течен или твърд метал, външните електрони вече не са свързани с отделни атоми и могат да се движат свободно в тялото.

Тези електрони са отговорни за добре познатата значителна проводимост на металите и те се наричат ​​електрони на проводимост.

Металните атоми, лишени от своите валентни електрони, т.е.положителни йони, съставляват кристалната решетка.

В кристалната решетка йони извършват хаотични трептения около тяхната суперпозиция на равновесие, наречени решетъчни места. Тези вибрации представляват топлинното движение на решетката и се увеличават с повишаване на температурата.

Електроните на проводимостта при липса на електрическо поле в метала се движат произволно със скорост от порядъка на хиляди километри в секунда.

Когато се приложи напрежение към метален проводник, електроните на проводимост, без да отслабват хаотичното им движение, се отнасят относително бавно от електрическо поле по проводника.

При този отклонение всички електрони получават, в допълнение към хаотичната скорост, малка скорост на подредено движение (от порядъка например на милиметри в секунда). Това слабо подредено движение на k причинява електрически ток в проводник.

Диелектрици

Съвсем различна е ситуацията при други вещества, които носят името изолатори (на езика на физиката — диелектрици). В диелектриците атомите вибрират около равновесието по същия начин, както в металите, но те имат пълен набор от електрони.

Външните електрони на диелектричните атоми са силно свързани с техните атоми и не е толкова лесно да ги разделим. За да направите това, трябва значително да повишите температурата на диелектрика или да го подложите на някакъв вид интензивна радиация, която може да откъсне електроните от атомите. В обикновеното състояние няма електрони на проводимост в диелектрик и диелектриците не преминават ток.

Повечето диелектрици не са атомни, а молекулярни кристали или течности. Това означава, че решетъчните места не са атоми, а молекули.

Много молекули се състоят от две групи атоми или само два атома, едната от които е електрически положителна, а другата отрицателна (те се наричат ​​полярни молекули). Например, във водна молекула и двата водородни атома са положителната част, а кислородният атом, около който електроните на водородните атоми се въртят през повечето време, са отрицателни.

Два заряда с еднаква величина, но противоположни по знак, разположени на много малко разстояние един от друг, се наричат ​​дипол. Полярните молекули са примери за диполи.

Ако молекулите не се състоят от противоположни по заряд йони (заредени атоми), тоест не са полярни и не представляват диполи, тогава те се превръщат в диполи под действието на електрическо поле.

Електрическото поле дърпа положителни заряди, които са включени в състава на молекула (например ядро), в едната посока, и отрицателни заряди в другата и, като ги разбутва, създава диполи.

Такива диполи се наричат ​​еластични — полето ги разтяга като пружина. Поведението на диелектрик с неполярни молекули се различава малко от поведението на диелектрик с полярни молекули и ще приемем, че диелектричните молекули са диполи.

Ако парче диелектрик бъде поставено в електрическо поле, тоест електрически заредено тяло се довежда до диелектрика, който има например положителна екипировка, отрицателните йони на диполни молекули ще бъдат привлечени към този заряд, а положителните йони ще бъде отблъснат. Поради това диполните молекули ще се въртят. Това въртене се нарича ориентация.

Ориентацията не представлява пълно завъртане на всички диелектрични молекули. Молекула, взета на случаен принцип в даден момент, може да се окаже обърната срещу полето и само средно голям брой молекули имат слаба ориентация към полето (т.е. повече молекули са обърнати към полето, отколкото в обратното посока).

Ориентацията се възпрепятства от топлинното движение — хаотични вибрации на молекулите около техните равновесни положения. Колкото по -ниска е температурата, толкова по -силна е ориентацията на молекулите, причинена от дадено поле. От друга страна, при дадена температура ориентацията е естествено колкото по -силна, толкова по -голямо е полето.

Диелектрична поляризация

В резултат на ориентацията на диелектричните молекули върху повърхността, обърната към положителния заряд, се появяват отрицателните краища на диполните молекули, а положителните — на противоположната повърхност.

По повърхностите на диелектрика, електрически заряди… Тези заряди се наричат ​​поляризационни заряди и тяхното възникване се нарича процес на диелектрична поляризация.

Както следва от горното, поляризацията, в зависимост от вида на диелектрика, може да бъде ориентационна (готовите диполни молекули са ориентирани) и деформация или поляризация на електронно изместване (молекулите в електрическо поле се деформират, превръщайки се в диполи).

Може да възникне въпросът защо поляризационните заряди се образуват само върху повърхностите на диелектрика, а не вътре в него? Това се обяснява с факта, че вътре в диелектрика положителните и отрицателните краища на диполните молекули просто се анулират. Компенсация ще липсва само на повърхностите на диелектрик или на границата между два диелектрика, както и в нехомогенен диелектрик.

Ако диелектрикът е поляризиран, това не означава, че той е зареден, тоест че има общ електрически заряд. При поляризация общият заряд на диелектрика не се променя. Въпреки това, заряд може да бъде придаден на диелектрик чрез прехвърляне на определен брой електрони към него отвън или вземане на определен брой собствени електрони. В първия случай диелектрикът ще се зарежда отрицателно, а във втория — положително.

Такава електрификация може да бъде произведена, например, чрез триене… Ако разтриете стъклена пръчка върху коприна, тогава пръчката и коприната ще бъдат заредени с противоположни заряди (стъкло — положително, коприна — отрицателно). В този случай определен брой електрони ще бъдат избрани от стъклената пръчка (много малка част от общия брой електрони, принадлежащи на всички атоми на стъклената пръчка).

Така, в метали и други проводници (например електролити) зарядите могат да се движат свободно в тялото. Диелектриците, от друга страна, не притежават проводимост и в тях зарядите не могат да преместват макроскопични (т.е. големи в сравнение с размера на атомите и молекулите) разстояния. В електрическо поле диелектрикът е само поляризиран.

Диелектрична поляризация при напрегнатост на полето, която не надвишава определени стойности за даден материал, е пропорционална на силата на полето.

С увеличаване на напрежението обаче вътрешните сили, които свързват елементарни частици с различни знаци в молекулите, стават недостатъчни, за да задържат тези частици в молекулите. Тогава електроните се изхвърлят от молекулите, молекулата се йонизира и диелектрикът губи изолационните си свойства — възниква диелектричен срив.

Стойността на силата на електрическото поле, при която започва диелектричното разбиване, се нарича градиент на разрушаване, или диелектрична якост.