Metallid ja dielektrikud – millised on erinevused?

Metallid

Metalli valentselektronid on oma aatomitega nõrgalt seotud. Kui metalliaurudest kondenseeruvad metalliaatomid moodustavad vedela või tahke metalli, ei ole välised elektronid enam üksikute aatomitega seotud ja võivad kehas vabalt liikuda.

Need elektronid vastutavad metallide tuntud olulise juhtivuse eest ja neid nimetatakse juhtivuselektronideks.

Metalli aatomid, millel on valentselektronid, st positiivsed ioonid, moodustavad kristallvõre.

Kristallvõres teostavad ioonid oma tasakaalu superpositsiooni ümber kaootilisi võnkumisi, mida nimetatakse võre saitideks. Need vibratsioonid esindavad võre soojuslikku liikumist ja suurenevad temperatuuri tõustes.

Juhtivuselektronid liiguvad metallis elektrivälja puudumisel juhuslikult kiirusega tuhandeid kilomeetreid sekundis.

Kui metalltraadile rakendatakse pinget, kantakse juhtivuselektronid, ilma nende kaootilist liikumist nõrgendamata, suhteliselt aeglaselt mööda traati elektrivälja abil eemale.

Selle kõrvalekaldega omandavad kõik elektronid lisaks kaootilisele kiirusele ka väikese järjestatud liikumise kiiruse (suurusjärgus näiteks millimeetrit sekundis). See k nõrgalt järjestatud liikumine põhjustab elektrivool juhtmes.

Dielektrikud

Teiste seda nime kandvate ainetega on olukord hoopis teine isolaatorid (füüsika keeles — dielektrikud). Dielektrikutes vibreerivad aatomid tasakaalu ümber samamoodi nagu metallides, kuid neil on täielik elektronide komplekt.

Dielektriliste aatomite väliselektronid on oma aatomitega tugevalt seotud ja neid pole nii lihtne eraldada. Selleks peate dielektriku temperatuuri oluliselt tõstma või allutama sellele mingisugusele intensiivsele kiirgusele, mis võib elektrone aatomitelt eemaldada. Tavalises olekus pole dielektrikus juhtivuselektrone ja dielektrikud ei kanna voolu.

Enamik dielektrikuid ei ole aatomilised, vaid molekulaarsed kristallid või vedelikud. See tähendab, et võrekohad ei ole aatomid, vaid molekulid.

Paljud molekulid koosnevad kahest aatomirühmast või ainult kahest aatomist, millest üks on elektriliselt positiivne ja teine ​​negatiivne (neid nimetatakse polaarseteks molekulideks). Näiteks veemolekulis on mõlemad vesinikuaatomid positiivne osa ja hapnikuaatom, mille ümber vesinikuaatomite elektronid suurema osa ajast tiirlevad, on negatiivne.

Dipooliks nimetatakse kahte võrdse suurusega, kuid märgiliselt vastandlikku laengut, mis asuvad üksteisest väga väikesel kaugusel. Dipoolide näited on polaarsed molekulid.

Kui molekulid ei koosne vastupidiselt laetud ioonidest (laetud aatomitest), see tähendab, et nad pole polaarsed ega esinda dipoole, muutuvad nad elektrivälja toimel dipoolideks.

Elektriväli tõmbab positiivseid laenguid, mis sisalduvad molekuli (näiteks tuuma) koostises, ühes suunas ja negatiivseid laenguid teises suunas ning neid üksteisest eemale tõugates tekitab dipoolid.

Selliseid dipoole nimetatakse elastseteks – väli venitab neid nagu vedru. Mittepolaarsete molekulidega dielektriku käitumine erineb vähe polaarsete molekulidega dielektriku käitumisest ja eeldame, et dielektri molekulid on dipoolid.

Kui dielektriku tükk asetada elektrivälja, see tähendab, et dielektriku juurde tuuakse elektriliselt laetud keha, millel on näiteks positiivne käik, tõmbavad dipoolmolekulide negatiivsed ioonid selle laengu külge ja positiivsed ioonid tõrjutakse. Seetõttu hakkavad dipoolmolekulid pöörlema. Seda pöörlemist nimetatakse orientatsiooniks.

Orientatsioon ei esinda kõigi dielektriliste molekulide täielikku pöörlemist. Teatud ajal juhuslikult võetud molekul võib sattuda välja poole ja ainult keskmisel arvul molekulidel on väljale nõrk orientatsioon (st rohkem molekule on välja poole suunatud kui vastassuunas).

Orienteerumist takistab soojusliikumine – molekulide kaootiline vibratsioon nende tasakaaluasendi ümber. Mida madalam on temperatuur, seda tugevam on antud välja poolt põhjustatud molekulide orientatsioon. Teisest küljest on antud temperatuuril orientatsioon loomulikult seda tugevam, mida väli on tugevam.

Dielektriline polarisatsioon

Positiivse laengu poole jääval pinnal dielektriliste molekulide orientatsiooni tulemusena tekivad dipoolmolekulide negatiivsed otsad, vastaspinnale aga positiivsed.

Dielektriku pindadel elektrilaengud… Neid laenguid nimetatakse polarisatsioonilaenguteks ja nende tekkimist dielektrilise polarisatsiooni protsessiks.

Eeltoodust järeldub, et polarisatsioon võib olenevalt dielektriku tüübist olla orienteeriv (orienteeruvad valmis dipoolmolekulid) ja deformatsiooni- ehk elektrooniline nihkepolarisatsioon (elektriväljas olevad molekulid deformeeruvad, muutudes dipoolideks).

Võib tekkida küsimus, miks tekivad polarisatsioonilaengud ainult dielektriku pindadel, mitte selle sees? Seda seletatakse asjaoluga, et dielektriku sees dipoolmolekulide positiivsed ja negatiivsed otsad lihtsalt tühistavad. Kompensatsioon puudub ainult dielektriku pindadel või kahe dielektriku vahelises liideses, samuti mittehomogeenses dielektrikus.

Kui dielektrik on polariseeritud, ei tähenda see, et see on laetud, see tähendab, et sellel on kogu elektrilaeng. Polarisatsiooni korral dielektriku kogulaeng ei muutu. Dielektrikule saab aga laengu anda, kandes talle väljastpoolt teatud arvu elektrone või võttes teatud arvu tema enda elektrone. Esimesel juhul on dielektrik negatiivselt laetud ja teisel - positiivselt.

Sellist elektrifitseerimist saab tekitada näiteks hõõrdumise teel… Kui hõõruda klaaspulka siidile, laetakse varras ja siid vastandlaengutega (klaas - positiivne, siid - negatiivne).Sel juhul valitakse klaasvardast teatud arv elektrone (väga väike osa kõigisse klaaspulga aatomitesse kuuluvate elektronide koguarvust).

Niisiis, metallides ja muudes juhtmetes (nt elektrolüüdid) laengud võivad kehas vabalt liikuda. Dielektrikud seevastu ei juhi ja neis ei saa laengud liigutada makroskoopilisi (st aatomite ja molekulide suurusega võrreldes suuri) vahemaid. Elektriväljas on dielektrik ainult polariseeritud.

Dielektriline polarisatsioon väljatugevusel, mis ei ületa antud materjali teatud väärtusi, on proportsionaalne väljatugevusega.

Pinge kasvades muutuvad aga sisemised jõud, mis seovad molekulides erineva märgiga elementaarosakesi, ebapiisavaks, et neid osakesi molekulides hoida. Siis paiskuvad elektronid molekulidest välja, molekul ioniseerub ja dielektrik kaotab oma isoleerivad omadused — toimub dielektriline purunemine.

Elektrivälja tugevuse väärtust, mille juures algab dielektriku lagunemine, nimetatakse läbilöögigradiendiks või dielektriline tugevus.