Kovy a dielektrika – aké sú rozdiely?

Kovy

Valenčné elektróny kovu sú slabo viazané na ich atómy. Keď atómy kovu kondenzujúce z kovových pár tvoria tekutý alebo pevný kov, vonkajšie elektróny už nie sú viazané na jednotlivé atómy a môžu sa voľne pohybovať v tele.

Tieto elektróny sú zodpovedné za známu významnú vodivosť kovov a nazývajú sa vodivé elektróny.

Atómy kovov zbavené svojich valenčných elektrónov, teda kladných iónov, tvoria kryštálovú mriežku.

V kryštálovej mriežke vykonávajú ióny chaotické oscilácie okolo svojej rovnovážnej superpozície, nazývanej mriežkové miesta. Tieto vibrácie predstavujú tepelný pohyb mriežky a zvyšujú sa so zvyšujúcou sa teplotou.

Vodivostné elektróny sa v neprítomnosti elektrického poľa v kove pohybujú náhodne rýchlosťou rádovo tisícok kilometrov za sekundu.

Keď sa na kovový drôt privedie napätie, vodivé elektróny, bez oslabenia ich chaotického pohybu, sú unášané pomerne pomaly elektrickým poľom pozdĺž drôtu.

Pri tejto odchýlke všetky elektróny nadobudnú okrem chaotickej rýchlosti aj malú rýchlosť usporiadaného pohybu (rádovo napr. milimetre za sekundu). Tento slabo usporiadaný pohyb k spôsobuje elektrický prúd v drôte.

Dielektrika

Úplne iná situácia je pri iných látkach, ktoré nesú tento názov izolantov (v jazyku fyziky — dielektrika). V dielektrikách atómy vibrujú približne v rovnováhe rovnakým spôsobom ako v kovoch, ale majú plný počet elektrónov.

Vonkajšie elektróny dielektrických atómov sú silne viazané na ich atómy a nie je také ľahké ich oddeliť. Aby ste to dosiahli, musíte výrazne zvýšiť teplotu dielektrika alebo ho vystaviť nejakému intenzívnemu žiareniu, ktoré môže odstrániť elektróny z atómov. V bežnom stave nie sú v dielektriku žiadne vodivé elektróny a dielektriká neprenášajú prúd.

Väčšina dielektrík nie sú atómové, ale molekulárne kryštály alebo kvapaliny. To znamená, že miestami mriežky nie sú atómy, ale molekuly.

Mnoho molekúl pozostáva z dvoch skupín atómov alebo iba dvoch atómov, z ktorých jeden je elektricky pozitívny a druhý negatívny (nazývajú sa polárne molekuly). Napríklad v molekule vody sú oba atómy vodíka kladnou časťou a atóm kyslíka, okolo ktorého sa elektróny atómov vodíka väčšinu času otáčajú, sú záporné.

Dva náboje rovnakej veľkosti, ale opačného znamienka umiestnené vo veľmi malej vzdialenosti od seba, sa nazývajú dipól. Polárne molekuly sú príkladmi dipólov.

Ak molekuly nepozostávajú z opačne nabitých iónov (nabitých atómov), to znamená, že nie sú polárne a nepredstavujú dipóly, potom sa pôsobením elektrického poľa stanú dipólmi.

Elektrické pole ťahá kladné náboje, ktoré sú súčasťou zloženia molekuly (napríklad jadra), jedným smerom a záporné náboje druhým smerom a ich odtláčaním vytvára dipóly.

Takéto dipóly sa nazývajú elastické — pole ich napína ako pružina. Správanie dielektrika s nepolárnymi molekulami sa len málo líši od správania sa dielektrika s polárnymi molekulami a budeme predpokladať, že molekuly dielektrika sú dipóly.

Ak sa kúsok dielektrika umiestni do elektrického poľa, to znamená, že sa k dielektriku privedie elektricky nabité teleso, ktoré má napríklad kladný prevod, záporné ióny molekúl dipólu budú priťahované k tomuto náboju a kladné ióny budú odpudzované. Preto sa molekuly dipólov budú otáčať. Táto rotácia sa nazýva orientácia.

Orientácia nepredstavuje úplnú rotáciu všetkých molekúl dielektrika. Náhodne odobratá molekula v danom čase môže skončiť oproti poľu a len priemerný počet molekúl má slabú orientáciu na pole (tj viac molekúl je otočených k poľu ako opačným smerom).

Orientácii bráni tepelný pohyb – chaotické vibrácie molekúl okolo ich rovnovážnych polôh. Čím nižšia je teplota, tým silnejšia je orientácia molekúl spôsobená daným poľom. Na druhej strane, pri danej teplote je orientácia prirodzene tým silnejšia.

Dielektrická polarizácia

V dôsledku orientácie molekúl dielektrika na povrchu smerom k kladnému náboju sa objavia záporné konce molekúl dipólu a kladné konce na protiľahlom povrchu.

Na povrchoch dielektrika, elektrické náboje… Tieto náboje sa nazývajú polarizačné náboje a ich výskyt sa nazýva proces polarizácie dielektrika.

Ako vyplýva z vyššie uvedeného, ​​polarizácia môže byť v závislosti od typu dielektrika orientačná (sú orientované hotové dipólové molekuly) a deformačná alebo elektronická posunová polarizácia (molekuly v elektrickom poli sa deformujú a stávajú sa dipólmi).

Môže vzniknúť otázka, prečo sa polarizačné náboje tvoria len na povrchoch dielektrika a nie v jeho vnútri? Vysvetľuje to skutočnosť, že vo vnútri dielektrika sa kladné a záporné konce molekúl dipólu jednoducho zrušia. Kompenzácia bude chýbať len na povrchoch dielektrika alebo na rozhraní medzi dvoma dielektrikami, ako aj v nehomogénnom dielektriku.

Ak je dielektrikum polarizované, neznamená to, že je nabité, to znamená, že má celkový elektrický náboj. Pri polarizácii sa celkový náboj dielektrika nemení. Náboj však možno dodať dielektriku tak, že sa naň prenesie určitý počet elektrónov zvonku alebo sa vezme určitý počet vlastných elektrónov. V prvom prípade bude dielektrikum záporne nabité a v druhom kladne.

Takáto elektrifikácia môže byť vyrobená napr trením… Ak potriete sklenenou tyčinkou hodváb, tyčinka a hodváb budú nabité opačnými nábojmi (sklo – kladné, hodváb – záporné).V tomto prípade sa zo sklenenej tyčinky vyberie určitý počet elektrónov (veľmi malá časť celkového počtu elektrónov patriacich všetkým atómom sklenenej tyčinky).

takže, v kovoch a iných vodičoch (napr. elektrolyty) sa náboje môžu v tele voľne pohybovať. Dielektriká na druhej strane nevedú a náboje sa v nich nemôžu pohybovať na makroskopické (tj veľké v porovnaní s veľkosťou atómov a molekúl) na vzdialenosti. V elektrickom poli je dielektrikum iba polarizované.

Dielektrická polarizácia pri intenzite poľa, ktorá nepresahuje určité hodnoty pre daný materiál, je úmerná intenzite poľa.

Keď sa napätie zvyšuje, vnútorné sily, ktoré viažu elementárne častice rôznych znakov v molekulách, sa stávajú nedostatočnými na to, aby tieto častice v molekulách udržali. Potom sú elektróny z molekúl vyvrhnuté, molekula je ionizovaná a dielektrikum stráca svoje izolačné vlastnosti — dochádza k poruche dielektrika.

Hodnota intenzity elektrického poľa, pri ktorej začína prieraz dielektrika, sa nazýva gradient prierazu, príp dielektrická pevnosť.