Miksi dielektrit eivät johda virtaa
Vastatakseen kysymykseen "miksi dielektri ei johda sähköä?" sähkövirran ulkonäöstä ja olemassaolosta… Ja sitten verrataan, miten johtimet ja eristeet käyttäytyvät vastauksen löytämisessä tähän kysymykseen.
Nykyinen
Sähkövirtaa kutsutaan järjestetyksi, eli suunnatuksi varautuneiden hiukkasten liikkeeksi sähkökenttä… Siten ensinnäkin sähkövirran olemassaolo edellyttää vapaiden varautuneiden hiukkasten läsnäoloa, jotka voivat liikkua suunnatulla tavalla. Toiseksi näiden varausten ohjaamiseen tarvitaan sähkökenttä. Ja tietysti täytyy olla tietty tila, jossa tämä varattujen hiukkasten liike, jota kutsutaan sähkövirraksi, tapahtuu.
Vapaita varautuneita hiukkasia on runsaasti johtimissa: metalleissa, elektrolyyteissä, plasmassa. Esimerkiksi kuparijohtimessa nämä ovat vapaita elektroneja, elektrolyytissä - ioneja, esimerkiksi rikkihappo-ioneja (vety ja rikkioksidi) lyijyakussa, plasmassa - ioneja ja elektroneja, ne ovat niitä, jotka liikkua sähköpurkauksen aikana ionisoidussa kaasussa.
Metalli
Otetaan esimerkiksi kaksi kuparilankaa ja liitetään niillä pieni hehkulamppu akkuun. Mitä tapahtuu? Valo alkaa hehkua, mikä tarkoittaa, että a tasavirtaa… Johtojen päiden välissä on nyt akun synnyttämä potentiaaliero, mikä tarkoittaa, että sähkökenttä on alkanut vaikuttaa johdon sisällä.
Sähkökenttä pakottaa kupariatomien ulkokuorten elektronit liikkumaan kentän suuntaan — atomista atomiin, atomista seuraavaan atomiin ja niin edelleen ketjua pitkin, koska metallin ulkokuorten elektronit atomit ovat paljon vähemmän sitoutuneita ytimiin kuin elektronit, jotka ovat lähempänä elektroniradan ytimiä. Siitä, mihin elektroni jätettiin, tulee toinen elektroni akun negatiivisesta navasta, eli elektronit liikkuvat vapaasti metalliketjua pitkin vaihtaen helposti kuuluvuuttaan atomeihin.
Ne näyttävät muodostuvan metallin kidehilaa pitkin siihen suuntaan, johon niitä työnnetään, yrittäen kiihdyttää sähkökenttää (miinuspisteestä plussaan jatkuvassa EMF-lähteessä), kun taas elektronit tarttuvat kidehilan atomeihin. koko tiensä varrella.
Jotkut elektronit hajoavat liikkeensä aikana atomeiksi (johtuen siitä, että lämpöliike värähtelee koko atomien rakennetta yhdessä elektronien kanssa), minkä seurauksena johdin lämpenee - näin se ilmenee johtojen sähkövastus.
Vapaat elektronit metallissa
Metallien tutkiminen röntgensäteillä ja muilla menetelmillä on osoittanut, että metalleilla on kiderakenne.Tämä tarkoittaa, että ne koostuvat atomeista tai molekyyleistä, jotka on järjestetty tietyllä tavalla avaruudessa (järjestyksessä, ionit), jotka luovat oikean vuorottelun kaikissa kolmessa ulottuvuudessa.
Näissä olosuhteissa alkuaineiden atomit sijaitsevat niin lähellä toisiaan, että niiden ulommat elektronit kuuluvat tähän atomiin samassa määrin kuin viereiset, minkä seurauksena elektronin sitoutumisaste jokaiseen yksittäiseen atomiin on käytännössä poissa.
Metallin tyypistä riippuen kunkin atomin ainakin yksi elektroneista, joskus kaksi elektronia ja joskus jopa kolme elektronia on vapaita liikkuessaan metallissa ulkoisten voimien vaikutuksesta.
Dielektrinen
Mitä dielektrissä on? Jos otat kuparilankojen sijaan muovia, paperia tai jotain vastaavaa? Ei tule sähköä, ei syty valoa. Miksi? Eristeen rakenne on sellainen, että se koostuu neutraaleista molekyyleistä, jotka eivät edes sähkökentän vaikutuksesta vapauta elektronejaan säännöllisessä liikkeessä - ne yksinkertaisesti eivät voi. Dielektrissä ei ole vapaita johtuvia elektroneja, kuten metallissa.
Minkä tahansa dielektrisen molekyylin atomin ulkoiset elektronit ovat tiiviisti pakattuja, lisäksi ne osallistuvat molekyylin sisäisiin sidoksiin, kun taas tällaisen aineen molekyylit ovat yleensä sähköisesti neutraaleja. Ainoa mitä dielektriset molekyylit voivat tehdä, on polarisoitua.
Niihin kohdistetun sähkökentän vaikutuksesta kunkin molekyylin liittyvät sähkövaraukset yksinkertaisesti siirtyvät hieman tasapainoasennosta, kun taas jokainen varautunut hiukkanen jää omaan atomiinsa. Tätä ilmiötä kutsutaan varaussiirtymäksi dielektrinen polarisaatio.
Polarisoinnin seurauksena siihen kohdistuvan sähkökentän vaikutuksesta tällä tavalla polarisoidun eristeen pinnalle ilmaantuu varauksia, jotka pyrkivät sähkökentällään vähentämään polarisaation aiheuttanutta ulkoista sähkökenttää. Dielektrin kykyä heikentää ulkoista sähkökenttää tällä tavalla kutsutaan dielektrisyysvakio.