Metalen en diëlektrica: wat zijn de verschillen?

Metalen

De valentie-elektronen van een metaal zijn zwak gebonden aan hun atomen. Wanneer metaalatomen die condenseren uit metaaldampen een vloeibaar of vast metaal vormen, zijn de buitenste elektronen niet langer gebonden aan individuele atomen en kunnen ze vrij bewegen in het lichaam.

Deze elektronen zijn verantwoordelijk voor de bekende significante geleidbaarheid van metalen en worden geleidingselektronen genoemd.

Metaalatomen ontdaan van hun valentie-elektronen, d.w.z. positieve ionen, vormen het kristalrooster.

In het kristalrooster voeren ionen chaotische oscillaties uit rond hun superpositie van evenwicht, roosterplaatsen genoemd. Deze trillingen vertegenwoordigen de thermische beweging van het rooster en nemen toe met toenemende temperatuur.

Geleidingselektronen bewegen bij afwezigheid van een elektrisch veld in het metaal willekeurig met snelheden in de orde van duizenden kilometers per seconde.

Wanneer een spanning op een metalen draad wordt gezet, worden de geleidingselektronen, zonder hun chaotische beweging te verzwakken, relatief langzaam weggevoerd door een elektrisch veld langs de draad.

Met deze afwijking krijgen alle elektronen, naast de chaotische snelheid, een kleine snelheid van geordende beweging (in de orde van bijvoorbeeld millimeters per seconde). Deze zwak geordende beweging van k veroorzaakt elektrische stroom in een draad.

Diëlektrica

Bij andere stoffen die de naam dragen is de situatie geheel anders isolatoren (in de taal van de natuurkunde - diëlektrica). In diëlektrica trillen de atomen op dezelfde manier rond evenwicht als in metalen, maar ze hebben een volledige aanvulling van elektronen.

De buitenste elektronen van diëlektrische atomen zijn sterk gebonden aan hun atomen en het is niet zo eenvoudig om ze te scheiden. Om dit te doen, moet je de temperatuur van het diëlektricum aanzienlijk verhogen of het onderwerpen aan een soort intense straling die elektronen van atomen kan strippen. In de normale toestand zijn er geen geleidingselektronen in een diëlektricum en voeren diëlektrica geen stroom.

De meeste diëlektrica zijn geen atomaire maar moleculaire kristallen of vloeistoffen. Dit betekent dat de roosterplaatsen geen atomen zijn, maar moleculen.

Veel moleculen bestaan ​​uit twee groepen atomen of slechts twee atomen, waarvan de ene elektrisch positief is en de andere negatief (dit worden polaire moleculen genoemd). In een watermolecuul zijn bijvoorbeeld beide waterstofatomen het positieve deel, en het zuurstofatoom, waar de elektronen van de waterstofatomen meestal omheen draaien, is negatief.

Twee ladingen van gelijke grootte maar met tegengesteld teken die op zeer kleine afstand van elkaar liggen, worden een dipool genoemd. Polaire moleculen zijn voorbeelden van dipolen.

Als de moleculen niet bestaan ​​uit tegengesteld geladen ionen (geladen atomen), dat wil zeggen, ze zijn niet polair en vertegenwoordigen geen dipolen, dan worden ze dipolen onder invloed van een elektrisch veld.

Het elektrische veld trekt positieve ladingen, die zijn opgenomen in de samenstelling van een molecuul (bijvoorbeeld een kern), in de ene richting, en negatieve ladingen in de andere richting en, door ze uit elkaar te duwen, ontstaan ​​dipolen.

Dergelijke dipolen worden elastisch genoemd - het veld rekt ze uit als een veer. Het gedrag van een diëlektricum met niet-polaire moleculen verschilt weinig van het gedrag van een diëlektricum met polaire moleculen, en we nemen aan dat de diëlektrische moleculen dipolen zijn.

Als een stuk diëlektricum in een elektrisch veld wordt geplaatst, dat wil zeggen, een elektrisch geladen lichaam wordt naar het diëlektricum gebracht, dat bijvoorbeeld een positieve versnelling heeft, zullen de negatieve ionen van dipoolmoleculen door deze lading worden aangetrokken, en de positieve ionen worden afgestoten. Daarom zullen de dipoolmoleculen roteren. Deze rotatie wordt oriëntatie genoemd.

De oriëntatie vertegenwoordigt geen volledige rotatie van alle diëlektrische moleculen. Een molecuul dat willekeurig op een bepaald moment wordt genomen, kan uiteindelijk naar het veld gericht zijn, en slechts een gemiddeld aantal moleculen heeft een zwakke oriëntatie op het veld (dwz er zijn meer moleculen naar het veld gericht dan in de tegenovergestelde richting).

Oriëntatie wordt belemmerd door thermische beweging - chaotische trillingen van moleculen rond hun evenwichtsposities. Hoe lager de temperatuur, hoe sterker de oriëntatie van de moleculen veroorzaakt door een bepaald veld. Aan de andere kant, bij een gegeven temperatuur is de oriëntatie natuurlijk des te sterker het veld.

Diëlektrische polarisatie

Als resultaat van de oriëntatie van de diëlektrische moleculen op het oppervlak dat naar de positieve lading is gericht, verschijnen de negatieve uiteinden van de dipoolmoleculen en de positieve op het tegenoverliggende oppervlak.

Op de oppervlakken van het diëlektricum, elektrische ladingen… Deze ladingen worden polarisatieladingen genoemd en hun optreden wordt het proces van diëlektrische polarisatie genoemd.

Zoals uit het bovenstaande volgt, kan polarisatie, afhankelijk van het type diëlektricum, oriënterend zijn (kant-en-klare dipoolmoleculen worden georiënteerd) en vervorming of elektronische verplaatsingspolarisatie (moleculen in een elektrisch veld worden vervormd en worden dipolen).

De vraag kan rijzen waarom polarisatieladingen alleen op de oppervlakken van het diëlektricum worden gevormd en niet erin? Dit wordt verklaard door het feit dat in het diëlektricum de positieve en negatieve uiteinden van de dipoolmoleculen eenvoudig worden opgeheven. Compensatie is alleen afwezig aan de oppervlakken van een diëlektricum of op het grensvlak tussen twee diëlektrica, evenals in een inhomogeen diëlektricum.

Als het diëlektricum gepolariseerd is, betekent dit niet dat het geladen is, dat wil zeggen dat het een totale elektrische lading heeft. Bij polarisatie verandert de totale lading van het diëlektricum niet. Er kan echter een lading aan een diëlektricum worden verleend door er van buitenaf een bepaald aantal elektronen naar toe te brengen of door een bepaald aantal van zijn eigen elektronen op te nemen. In het eerste geval is het diëlektricum negatief geladen en in het tweede geval positief geladen.

Een dergelijke elektrificatie kan bijvoorbeeld worden gerealiseerd door door wrijving… Als je met een glazen staafje over zijde wrijft, dan worden het staafje en de zijde geladen met tegengestelde ladingen (glas - positief, zijde - negatief).In dit geval wordt een bepaald aantal elektronen uit de glazen staaf geselecteerd (een zeer kleine fractie van het totale aantal elektronen dat bij alle atomen van de glazen staaf hoort).

Dus, in metalen en andere geleiders (bijv. elektrolyten) kunnen ladingen vrij in het lichaam bewegen. Diëlektrica daarentegen geleiden niet en daarin kunnen ladingen geen macroscopische (dwz grote in vergelijking met de grootte van atomen en moleculen) afstanden afleggen. In een elektrisch veld is het diëlektricum alleen gepolariseerd.

Diëlektrische polarisatie bij een veldsterkte die bepaalde waarden voor een bepaald materiaal niet overschrijdt, is evenredig met de veldsterkte.

Naarmate de spanning toeneemt, worden de interne krachten die elementaire deeltjes van verschillende tekens in de moleculen binden echter onvoldoende om die deeltjes in de moleculen te houden. Vervolgens worden de elektronen uit de moleculen geworpen, wordt het molecuul geïoniseerd en verliest het diëlektricum zijn isolerende eigenschappen — diëlektrische storing optreedt.

De waarde van de elektrische veldsterkte waarbij diëlektrische doorslag begint, wordt de doorslaggradiënt genoemd, of diëlektrische sterkte.