Γιατί τα διηλεκτρικά δεν μεταφέρουν ρεύμα

Για να απαντήσετε στην ερώτηση «γιατί ένα διηλεκτρικό δεν άγει ηλεκτρισμό;» σχετικά με την εμφάνιση και την ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος… Και μετά ας συγκρίνουμε πώς συμπεριφέρονται οι αγωγοί και τα διηλεκτρικά σε σχέση με την εύρεση μιας απάντησης σε αυτό το ερώτημα.

Ρεύμα

Το ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται διατεταγμένη, δηλαδή κατευθυνόμενη, κίνηση φορτισμένων σωματιδίων ηλεκτρικό πεδίο… Έτσι, πρώτον, η ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος απαιτεί την παρουσία ελεύθερων φορτισμένων σωματιδίων ικανών να κινούνται με κατευθυνόμενο τρόπο. Δεύτερον, χρειάζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο για να κινηθούν αυτά τα φορτία. Και, φυσικά, πρέπει να υπάρχει ένας συγκεκριμένος χώρος στον οποίο λαμβάνει χώρα αυτή η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων, που ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Τα ελεύθερα φορτισμένα σωματίδια είναι άφθονα στους αγωγούς: σε μέταλλα, σε ηλεκτρολύτες, στο πλάσμα. Σε έναν αγωγό χαλκού, για παράδειγμα, αυτά είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια, σε έναν ηλεκτρολύτη - ιόντα, για παράδειγμα, ιόντα θειικού οξέος (υδρογόνο και οξείδιο του θείου) σε μια μπαταρία μολύβδου-οξέος, σε ιόντα πλάσματος και ηλεκτρόνια, είναι αυτά που κινούνται κατά τη διάρκεια μιας ηλεκτρικής εκκένωσης σε ένα ιονισμένο αέριο.

Μέταλλο

Για παράδειγμα, ας πάρουμε δύο κομμάτια χάλκινου σύρματος και ας τα χρησιμοποιήσουμε για να συνδέσουμε μια μικρή λάμπα σε μια μπαταρία. Τι θα συμβεί? Το φως θα αρχίσει να λάμπει, πράγμα που σημαίνει ότι α συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα… Ανάμεσα στα άκρα των καλωδίων υπάρχει τώρα μια διαφορά δυναμικού που δημιουργείται από την μπαταρία, που σημαίνει ότι ένα ηλεκτρικό πεδίο έχει αρχίσει να ενεργεί μέσα στο καλώδιο.

Το ηλεκτρικό πεδίο αναγκάζει τα ηλεκτρόνια των εξωτερικών φλοιών των ατόμων χαλκού να κινηθούν προς την κατεύθυνση του πεδίου — από άτομο σε άτομο, από άτομο στο επόμενο άτομο και ούτω καθεξής κατά μήκος της αλυσίδας, επειδή τα ηλεκτρόνια των εξωτερικών φλοιών από μέταλλο Τα άτομα είναι πολύ λιγότερο ισχυρά συνδεδεμένα με τους πυρήνες από τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται πιο κοντά στους πυρήνες των τροχιών ηλεκτρονίων. Από εκεί που έμεινε το ηλεκτρόνιο, ένα άλλο ηλεκτρόνιο προέρχεται από τον αρνητικό ακροδέκτη της μπαταρίας, δηλαδή τα ηλεκτρόνια κινούνται ελεύθερα κατά μήκος της μεταλλικής αλυσίδας, αλλάζοντας εύκολα την ιδιότητά τους στα άτομα.

Φαίνεται να σχηματίζονται κατά μήκος του κρυσταλλικού πλέγματος του μετάλλου προς την κατεύθυνση που ωθούνται, προσπαθώντας να επιταχύνουν, το ηλεκτρικό πεδίο (από το μείον στο συν της σταθερής πηγής EMF), ενώ τα ηλεκτρόνια προσκολλώνται στα άτομα του κρυσταλλικού πλέγματος σε όλη την πορεία τους.

Μερικά ηλεκτρόνια κατά τη διάρκεια της κίνησής τους σπάνε σε άτομα (λόγω του γεγονότος ότι η θερμική κίνηση δονεί ολόκληρη τη δομή των ατόμων μαζί με τα ηλεκτρόνια), με αποτέλεσμα ο αγωγός να θερμαίνεται - έτσι εκδηλώνεται ηλεκτρική αντίσταση των καλωδίων.

Ελεύθερα ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο

Η μελέτη των μετάλλων χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ, καθώς και άλλες μεθόδους, έδειξε ότι τα μέταλλα έχουν κρυσταλλική δομή.Αυτό σημαίνει ότι αποτελούνται από άτομα ή μόρια διατεταγμένα με συγκεκριμένο τρόπο στο χώρο (κατά σειρά, ιόντα) που δημιουργούν τη σωστή εναλλαγή και στις τρεις διαστάσεις.

Υπό αυτές τις συνθήκες, τα άτομα των στοιχείων βρίσκονται τόσο κοντά το ένα στο άλλο που τα εξωτερικά ηλεκτρόνια τους ανήκουν σε αυτό το άτομο στον ίδιο βαθμό με τα γειτονικά, με αποτέλεσμα ο βαθμός σύνδεσης του ηλεκτρονίου με κάθε άτομο πρακτικά απουσιάζει.

Ανάλογα με τον τύπο του μετάλλου, τουλάχιστον ένα από τα ηλεκτρόνια κάθε ατόμου, μερικές φορές δύο ηλεκτρόνια και σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη και τρία ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα ως προς τις κινήσεις τους στο μέταλλο, υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων.

Διηλεκτρικός

Τι υπάρχει σε ένα διηλεκτρικό; Αν αντί για χάλκινα σύρματα πάρεις πλαστικό, χαρτί ή κάτι παρόμοιο; Δεν θα υπάρχει ρεύμα, δεν θα ανάψει φως. Γιατί; Η δομή του διηλεκτρικού είναι τέτοια που αποτελείται από ουδέτερα μόρια που, ακόμη και κάτω από τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου, δεν απελευθερώνουν τα ηλεκτρόνια τους σε μια ομαλή κίνηση - απλά δεν μπορούν. Δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια ελεύθερης αγωγιμότητας σε ένα διηλεκτρικό, όπως σε ένα μέταλλο.

Τα εξωτερικά ηλεκτρόνια στο άτομο οποιουδήποτε διηλεκτρικού μορίου είναι σφιχτά συσκευασμένα, επιπλέον, συμμετέχουν στους εσωτερικούς δεσμούς του μορίου, ενώ τα μόρια μιας τέτοιας ουσίας είναι συνήθως ηλεκτρικά ουδέτερα. Το μόνο που μπορούν να κάνουν τα διηλεκτρικά μόρια είναι να πολωθούν.

Κάτω από τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου που εφαρμόζεται σε αυτά, τα σχετικά ηλεκτρικά φορτία κάθε μορίου απλώς θα μετατοπιστούν ελαφρώς από τη θέση ισορροπίας, ενώ κάθε φορτισμένο σωματίδιο θα παραμείνει στο δικό του άτομο. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται μετατόπιση φορτίου διηλεκτρική πόλωση.

Ως αποτέλεσμα της πόλωσης, εμφανίζονται φορτία στην επιφάνεια ενός διηλεκτρικού που πολώνεται με αυτόν τον τρόπο από ένα ηλεκτρικό πεδίο που εφαρμόζεται σε αυτό, τα οποία τείνουν να μειώνουν το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο που προκάλεσε την πόλωση με το ηλεκτρικό τους πεδίο. Η ικανότητα ενός διηλεκτρικού να εξασθενεί ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο με αυτόν τον τρόπο ονομάζεται διηλεκτρική σταθερά.