Μέταλλα και διηλεκτρικά - Ποιες είναι οι διαφορές;

μέταλλα

Τα ηλεκτρόνια σθένους ενός μετάλλου είναι ασθενώς συνδεδεμένα με τα άτομα τους. Όταν τα άτομα μετάλλων που συμπυκνώνονται από τους ατμούς μετάλλων σχηματίζουν ένα υγρό ή στερεό μέταλλο, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια δεν είναι πλέον συνδεδεμένα με μεμονωμένα άτομα και μπορούν να κινούνται ελεύθερα στο σώμα.

Αυτά τα ηλεκτρόνια είναι υπεύθυνα για τη γνωστή σημαντική αγωγιμότητα των μετάλλων και ονομάζονται ηλεκτρόνια αγωγιμότητας.

Τα άτομα μετάλλου απογυμνωμένα από τα ηλεκτρόνια σθένους τους, δηλαδή τα θετικά ιόντα, συνθέτουν το κρυσταλλικό πλέγμα.

Στο κρυσταλλικό πλέγμα, τα ιόντα εκτελούν χαοτικές ταλαντώσεις γύρω από την υπέρθεση της ισορροπίας τους, που ονομάζονται δικτυακές θέσεις. Αυτές οι δονήσεις αντιπροσωπεύουν τη θερμική κίνηση του πλέγματος και αυξάνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας απουσία ηλεκτρικού πεδίου στο μέταλλο κινούνται τυχαία με ταχύτητες της τάξης των χιλιάδων χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο.

Όταν εφαρμόζεται τάση σε ένα μεταλλικό σύρμα, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας, χωρίς να εξασθενούν η χαοτική κίνησή τους, παρασύρονται σχετικά αργά από ένα ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος του σύρματος.

Με αυτή την απόκλιση, όλα τα ηλεκτρόνια αποκτούν, εκτός από τη χαοτική ταχύτητα, μια μικρή ταχύτητα διατεταγμένης κίνησης (της τάξης, για παράδειγμα, χιλιοστών ανά δευτερόλεπτο). Αυτή η ασθενώς διατεταγμένη κίνηση του k προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα καλώδιο.

Διηλεκτρικά

Η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική με άλλες ουσίες που φέρουν το όνομα μονωτές (στη γλώσσα της φυσικής — διηλεκτρικά). Στα διηλεκτρικά, τα άτομα δονούνται γύρω από την ισορροπία με τον ίδιο τρόπο όπως στα μέταλλα, αλλά έχουν ένα πλήρες συμπλήρωμα ηλεκτρονίων.

Τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των διηλεκτρικών ατόμων είναι ισχυρά συνδεδεμένα με τα άτομα τους και δεν είναι τόσο εύκολο να τα διαχωριστούν. Για να γίνει αυτό, πρέπει να αυξήσετε σημαντικά τη θερμοκρασία του διηλεκτρικού ή να το υποβάλετε σε κάποιο είδος έντονης ακτινοβολίας που μπορεί να αφαιρέσει τα ηλεκτρόνια από τα άτομα. Στη συνηθισμένη κατάσταση, δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια αγωγιμότητας σε ένα διηλεκτρικό και τα διηλεκτρικά δεν μεταφέρουν ρεύμα.

Τα περισσότερα διηλεκτρικά δεν είναι ατομικά αλλά μοριακοί κρύσταλλοι ή υγρά. Αυτό σημαίνει ότι οι θέσεις του πλέγματος δεν είναι άτομα, αλλά μόρια.

Πολλά μόρια αποτελούνται από δύο ομάδες ατόμων ή μόνο δύο άτομα, εκ των οποίων το ένα είναι ηλεκτρικά θετικό και το άλλο αρνητικό (αυτά ονομάζονται πολικά μόρια). Για παράδειγμα, σε ένα μόριο νερού, και τα δύο άτομα υδρογόνου είναι το θετικό μέρος και το άτομο οξυγόνου, γύρω από το οποίο περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια των ατόμων υδρογόνου τις περισσότερες φορές, είναι αρνητικό.

Δύο φορτία ίσου μεγέθους αλλά αντίθετα σε πρόσημο που βρίσκονται σε πολύ μικρή απόσταση το ένα από το άλλο ονομάζονται δίπολο. Τα πολικά μόρια είναι παραδείγματα διπόλων.

Αν τα μόρια δεν αποτελούνται από αντίθετα φορτισμένα ιόντα (φορτισμένα άτομα), δηλαδή δεν είναι πολικά και δεν αντιπροσωπεύουν δίπολα, τότε γίνονται δίπολα υπό τη δράση ηλεκτρικού πεδίου.

Το ηλεκτρικό πεδίο έλκει θετικά φορτία, τα οποία περιλαμβάνονται στη σύνθεση ενός μορίου (για παράδειγμα, ενός πυρήνα), προς τη μία κατεύθυνση και αρνητικά φορτία στην άλλη και, απομακρύνοντάς τα, δημιουργεί δίπολα.

Τέτοια δίπολα ονομάζονται ελαστικά — το πεδίο τα τεντώνει σαν ελατήριο. Η συμπεριφορά ενός διηλεκτρικού με μη πολικά μόρια διαφέρει ελάχιστα από τη συμπεριφορά ενός διηλεκτρικού με πολικά μόρια, και θα υποθέσουμε ότι τα διηλεκτρικά μόρια είναι δίπολα.

Εάν ένα κομμάτι διηλεκτρικού τοποθετηθεί σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, δηλαδή, ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σώμα φέρεται στο διηλεκτρικό, το οποίο έχει, για παράδειγμα, ένα θετικό γρανάζι, τα αρνητικά ιόντα των διπολικών μορίων θα έλκονται σε αυτό το φορτίο και το τα θετικά ιόντα θα απωθούνται. Επομένως, τα διπολικά μόρια θα περιστρέφονται. Αυτή η περιστροφή ονομάζεται προσανατολισμός.

Ο προσανατολισμός δεν αντιπροσωπεύει μια πλήρη περιστροφή όλων των διηλεκτρικών μορίων. Ένα μόριο που λαμβάνεται τυχαία σε μια δεδομένη στιγμή μπορεί να καταλήξει στραμμένο προς το πεδίο και μόνο ένας μέσος αριθμός μορίων έχει ασθενή προσανατολισμό προς το πεδίο (δηλαδή, περισσότερα μόρια είναι στραμμένα προς το πεδίο παρά προς την αντίθετη κατεύθυνση).

Ο προσανατολισμός εμποδίζεται από τη θερμική κίνηση—χαοτικές δονήσεις των μορίων γύρω από τις θέσεις ισορροπίας τους. Όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο ισχυρότερος είναι ο προσανατολισμός των μορίων που προκαλείται από ένα δεδομένο πεδίο. Από την άλλη πλευρά, σε μια δεδομένη θερμοκρασία ο προσανατολισμός είναι φυσικά όσο ισχυρότερο είναι το πεδίο.

Διηλεκτρική πόλωση

Ως αποτέλεσμα του προσανατολισμού των διηλεκτρικών μορίων στην επιφάνεια που βλέπει το θετικό φορτίο, εμφανίζονται τα αρνητικά άκρα των μορίων του διπόλου και τα θετικά στην αντίθετη επιφάνεια.

Στις επιφάνειες του διηλεκτρικού, ηλεκτρικά φορτία… Αυτά τα φορτία ονομάζονται φορτία πόλωσης και η εμφάνισή τους ονομάζεται διαδικασία διηλεκτρικής πόλωσης.

Όπως προκύπτει από τα παραπάνω, η πόλωση, ανάλογα με τον τύπο του διηλεκτρικού, μπορεί να είναι προσανατολισμένη (τα έτοιμα διπολικά μόρια είναι προσανατολισμένα) και παραμόρφωση ή πόλωση ηλεκτρονικής μετατόπισης (τα μόρια σε ένα ηλεκτρικό πεδίο παραμορφώνονται και γίνονται δίπολα).

Μπορεί να προκύψει το ερώτημα γιατί φορτία πόλωσης σχηματίζονται μόνο στις επιφάνειες του διηλεκτρικού και όχι στο εσωτερικό του; Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι μέσα στο διηλεκτρικό τα θετικά και αρνητικά άκρα των μορίων του διπόλου απλώς ακυρώνονται. Η αντιστάθμιση θα απουσιάζει μόνο στις επιφάνειες ενός διηλεκτρικού ή στη διεπαφή μεταξύ δύο διηλεκτρικών, καθώς και σε ένα ανομοιογενές διηλεκτρικό.

Αν το διηλεκτρικό είναι πολωμένο, δεν σημαίνει ότι είναι φορτισμένο, δηλαδή έχει ολικό ηλεκτρικό φορτίο. Με την πόλωση, το συνολικό φορτίο του διηλεκτρικού δεν αλλάζει. Ωστόσο, ένα φορτίο μπορεί να μεταδοθεί σε ένα διηλεκτρικό μεταφέροντας έναν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων σε αυτό από έξω ή λαμβάνοντας έναν ορισμένο αριθμό από τα ηλεκτρόνια του. Στην πρώτη περίπτωση, το διηλεκτρικό θα φορτιστεί αρνητικά και στη δεύτερη - θετικά.

Τέτοιος ηλεκτρισμός μπορεί να παραχθεί, για παράδειγμα, από από τριβή… Αν τρίψετε μια γυάλινη ράβδο σε μετάξι, τότε η ράβδος και το μετάξι θα φορτιστούν με αντίθετα φορτία (γυαλί - θετικό, μετάξι - αρνητικό).Σε αυτή την περίπτωση, ένας ορισμένος αριθμός ηλεκτρονίων θα επιλεγεί από τη γυάλινη ράβδο (ένα πολύ μικρό κλάσμα του συνολικού αριθμού ηλεκτρονίων που ανήκουν σε όλα τα άτομα της γυάλινης ράβδου).

Ετσι, σε μέταλλα και άλλους αγωγούς (π.χ. ηλεκτρολύτες) τα φορτία μπορούν να κινούνται ελεύθερα στο σώμα. Τα διηλεκτρικά, από την άλλη πλευρά, δεν αγώγουν και σε αυτά τα φορτία δεν μπορούν να μετακινήσουν μακροσκοπικές (δηλαδή μεγάλες σε σύγκριση με το μέγεθος των ατόμων και των μορίων) αποστάσεις. Σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, το διηλεκτρικό είναι μόνο πολωμένο.

Διηλεκτρική πόλωση σε ένταση πεδίου που δεν υπερβαίνει ορισμένες τιμές για ένα δεδομένο υλικό είναι ανάλογη με την ένταση πεδίου.

Καθώς η τάση αυξάνεται, ωστόσο, οι εσωτερικές δυνάμεις που δεσμεύουν στοιχειώδη σωματίδια διαφορετικών σημάτων στα μόρια καθίστανται ανεπαρκείς για να συγκρατήσουν αυτά τα σωματίδια στα μόρια. Στη συνέχεια τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται από τα μόρια, το μόριο ιονίζεται και το διηλεκτρικό χάνει τις μονωτικές του ιδιότητες — συμβαίνει διηλεκτρική διάσπαση.

Η τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην οποία αρχίζει η διηλεκτρική διάσπαση ονομάζεται βαθμίδα διάσπασης ή διηλεκτρική αντοχή.