Metallit ja eristeet – mitkä ovat erot?

Metallit

Metallin valenssielektronit ovat heikosti sitoutuneita atomeihinsa. Kun metallihöyryistä kondensoituvat metalliatomit muodostavat nestemäisen tai kiinteän metallin, ulommat elektronit eivät enää ole sitoutuneet yksittäisiin atomeihin ja voivat liikkua vapaasti kehossa.

Nämä elektronit ovat vastuussa metallien tunnetusta merkittävästä johtavuudesta ja niitä kutsutaan johtavuuselektroneiksi.

Metalliatomit, joista on riisuttu valenssielektroneja, eli positiivisia ioneja, muodostavat kidehilan.

Kidehilassa ionit suorittavat kaoottisia värähtelyjä tasapainopisteensä ympärillä, joita kutsutaan hilapaikoiksi. Nämä värähtelyt edustavat hilan lämpöliikettä ja lisääntyvät lämpötilan noustessa.

Sähkökentän puuttuessa metallissa olevat elektronit liikkuvat satunnaisesti tuhansien kilometrien luokkaa sekunnissa.

Kun metallilankaan syötetään jännite, sähkökenttä kuljettaa johtoelektroneja heikentämättä niiden kaoottista liikettä suhteellisen hitaasti.

Tällä poikkeamalla kaikki elektronit saavat kaoottisen nopeuden lisäksi pienen järjestetyn liikkeen nopeuden (esim. millimetriä sekunnissa). Tämä heikosti järjestynyt k:n liike aiheuttaa sähkövirta johdossa.

Dielektriset

Tilanne on täysin erilainen muiden tätä nimeä käyttävien aineiden kanssa eristimet (fysiikan kielellä - dielektriset). Dielektrikissä atomit värähtelevät tasapainon ympärillä samalla tavalla kuin metalleissa, mutta niissä on täysi elektronien komplementti.

Dielektristen atomien ulkoelektronit ovat vahvasti sitoutuneita atomeihinsa, eikä niiden erottaminen ole niin helppoa. Tätä varten sinun on nostettava merkittävästi eristeen lämpötilaa tai alistettava se jonkinlaiselle voimakkaalle säteilylle, joka voi irrottaa elektroneja atomeista. Tavallisessa tilassa eristeessä ei ole johtavuuselektroneja, eivätkä eristeet kuljeta virtaa.

Useimmat dielektriset aineet eivät ole atomisia, vaan molekyylikiteitä tai nesteitä. Tämä tarkoittaa, että hilakohdat eivät ole atomeja, vaan molekyylejä.

Monet molekyylit koostuvat kahdesta atomiryhmästä tai vain kahdesta atomista, joista toinen on sähköisesti positiivinen ja toinen negatiivinen (näitä kutsutaan polaarisiksi molekyyleiksi). Esimerkiksi vesimolekyylissä molemmat vetyatomit ovat positiivinen osa ja happiatomi, jonka ympäri vetyatomien elektronit pyörivät suurimman osan ajasta, ovat negatiivisia.

Kahta samansuuruista mutta vastakkaista varausta, jotka sijaitsevat hyvin pienellä etäisyydellä toisistaan, kutsutaan dipoliksi. Polaariset molekyylit ovat esimerkkejä dipoleista.

Jos molekyylit eivät koostu vastakkaisesti varautuneista ioneista (varautuneista atomeista), eli ne eivät ole polaarisia eivätkä edusta dipoleja, ne muuttuvat dipoleiksi sähkökentän vaikutuksesta.

Sähkökenttä vetää positiivisia varauksia, jotka sisältyvät molekyylin (esimerkiksi ytimen) koostumukseen, yhteen suuntaan ja negatiivisia varauksia toiseen ja työntää niitä erilleen muodostaen dipoleja.

Tällaisia ​​dipoleja kutsutaan elastisiksi - kenttä venyttää niitä kuin jousi. Ei-polaarisia molekyylejä sisältävän dielektrisen aineen käyttäytyminen poikkeaa vähän polaarisia molekyylejä sisältävän dielektrisen aineen käyttäytymisestä, ja oletetaan, että dielektriset molekyylit ovat dipoleja.

Jos eristeen pala asetetaan sähkökenttään eli tuodaan sähköisesti varautunut kappale, jolla on esimerkiksi positiivinen vaihteisto, dipolimolekyylien negatiiviset ionit vetäytyvät tähän varaukseen ja positiiviset ionit hylkivät. Siksi dipolimolekyylit pyörivät. Tätä kiertoa kutsutaan orientaatioksi.

Orientaatio ei edusta kaikkien dielektristen molekyylien täydellistä pyörimistä. Tiettynä ajankohtana sattumanvaraisesti otettu molekyyli voi päätyä kenttää päin, ja vain keskimääräisellä määrällä molekyylejä on heikko orientaatio kentälle (eli enemmän molekyylejä on kenttää päin kuin vastakkaiseen suuntaan).

Lämpöliike - molekyylien kaoottiset värähtelyt tasapainoasemiensa ympärillä - estävät suuntautumista. Mitä alhaisempi lämpötila, sitä vahvempi on tietyn kentän aiheuttama molekyylien orientaatio. Toisaalta tietyssä lämpötilassa orientaatio on luonnollisesti sitä voimakkaampi kenttä.

Dielektrinen polarisaatio

Positiivisen varauksen puoleisella pinnalla olevien dielektristen molekyylien orientoitumisen seurauksena dipolimolekyylien negatiiviset päät ilmaantuvat ja positiiviset vastakkaiselle pinnalle.

Dielektrin pinnoilla, sähkömaksut… Näitä varauksia kutsutaan polarisaatiovarauksiksi ja niiden esiintymistä dielektrisen polarisaation prosessiksi.

Kuten edellä olevasta seuraa, polarisaatio voi eristeen tyypistä riippuen olla orientaatiota (valmiit dipolimolekyylit on orientoitunut) ja deformaatio- tai elektronisen siirtymäpolarisaatiota (sähkökentässä olevat molekyylit muuttavat muotoaan ja muuttuvat dipoleiksi).

Voi herää kysymys, miksi polarisaatiovarauksia muodostuu vain eristeen pinnoille, ei sen sisään? Tämä selittyy sillä, että dielektrin sisällä dipolimolekyylien positiiviset ja negatiiviset päät yksinkertaisesti kumoavat. Kompensaatio puuttuu vain eristeen pinnoilla tai kahden eristeen välisessä rajapinnassa sekä epähomogeenisessa dielektrissä.

Jos eriste on polarisoitunut, se ei tarkoita, että se on varautunut, eli sillä on kokonaissähkövaraus. Polarisaatiolla eristeen kokonaisvaraus ei muutu. Varaus voidaan kuitenkin antaa eristeeseen siirtämällä siihen tietty määrä elektroneja ulkopuolelta tai ottamalla tietty määrä sen omia elektroneja. Ensimmäisessä tapauksessa eriste on negatiivisesti varautunut ja toisessa - positiivisesti varautunut.

Tällainen sähköistys voidaan tuottaa esimerkiksi käyttämällä kitkan avulla… Jos hieroat lasitankoa silkkiin, sauva ja silkki latautuvat vastakkaisilla varauksilla (lasi - positiivinen, silkki - negatiivinen).Tässä tapauksessa lasisauvasta valitaan tietty määrä elektroneja (erittäin pieni osa lasisauvan kaikkiin atomeihin kuuluvien elektronien kokonaismäärästä).

Niin, metalleissa ja muissa johtimissa (esim. elektrolyytit) varaukset voivat liikkua vapaasti kehossa. Dielektrikot sen sijaan eivät johda, eivätkä varaukset pysty liikkumaan makroskooppisia (eli atomien ja molekyylien kokoon verrattuna suuria) etäisyyksiä. Sähkökentässä dielektrisyys on vain polarisoitunut.

Dielektrinen polarisaatio kentänvoimakkuudella, joka ei ylitä tietyn materiaalin tiettyjä arvoja, on verrannollinen kentänvoimakkuuteen.

Jännitteen noustessa kuitenkin sisäiset voimat, jotka sitovat erimerkkisiä alkuainehiukkasia molekyyleissä, eivät riitä pitämään näitä hiukkasia molekyyleissä. Sitten elektronit irtoavat molekyyleistä, molekyyli ionisoituu ja eriste menettää eristysominaisuudet - tapahtuu dielektristä hajoamista.

Sähkökentän voimakkuuden arvoa, jossa dielektrinen hajoaminen alkaa, kutsutaan läpilyöntigradientiksi tai Läpilyöntilujuus.