Метали и диелектрици — које су разлике?

Метали

Валентни електрони метала су слабо везани за своје атоме. Када атоми метала који се кондензују из металних пара формирају течни или чврсти метал, спољашњи електрони више нису везани за појединачне атоме и могу се слободно кретати у телу.

Ови електрони су одговорни за добро познату значајну проводљивост метала и називају се електронима проводљивости.

Атоми метала лишени својих валентних електрона, односно позитивних јона, чине кристалну решетку.

У кристалној решетки, јони врше хаотичне осцилације око своје суперпозиције равнотеже, које се називају места решетке. Ове вибрације представљају топлотно кретање решетке и повећавају се са повећањем температуре.

Електрони проводљивости у одсуству електричног поља у металу крећу се насумично брзином од неколико хиљада километара у секунди.

Када се напон примени на металну жицу, електрони проводљивости, без слабљења њиховог хаотичног кретања, релативно споро се односе електричним пољем дуж жице.

Овим одступањем сви електрони добијају, поред хаотичне, и малу брзину уређеног кретања (реда, на пример, милиметара у секунди). Ово слабо уређено кретање к узрокује електрична струја у жици.

Диелектрици

Сасвим другачија ситуација је са другим супстанцама које носе назив изолатори (на језику физике — диелектрици). У диелектрицима, атоми вибрирају око равнотеже на исти начин као у металима, али имају потпуни комплет електрона.

Спољни електрони диелектричних атома су снажно везани за своје атоме и није их тако лако раздвојити. Да бисте то урадили, морате значајно повећати температуру диелектрика или га подвргнути некој врсти интензивног зрачења које може да одвоји електроне од атома. У обичном стању, у диелектрику нема електрона проводљивости и диелектрици не преносе струју.

Већина диелектрика нису атомски, већ молекуларни кристали или течности. То значи да места решетке нису атоми, већ молекули.

Многи молекули се састоје од две групе атома или само два атома, од којих је један електрично позитиван, а други негативан (они се називају поларни молекули). На пример, у молекулу воде, оба атома водоника су позитивни део, а атом кисеоника, око којег се електрони атома водоника врте већину времена, је негативан.

Два наелектрисања једнаке величине али супротног знака која се налазе на веома малој удаљености једно од другог називају се дипол. Поларни молекули су примери дипола.

Ако се молекули не састоје од супротно наелектрисаних јона (наелектрисаних атома), односно нису поларни и не представљају диполе, онда под дејством електричног поља постају диполи.

Електрично поље вуче позитивна наелектрисања, која су укључена у састав молекула (на пример, језгра), у једном правцу, а негативна у другом и, разбацујући их, ствара диполе.

Такви диполи се зову еластични - поље их растеже као опруга. Понашање диелектрика са неполарним молекулима мало се разликује од понашања диелектрика са поларним молекулима и претпоставићемо да су диелектрични молекули диполи.

Ако се комад диелектрика стави у електрично поље, односно доведе се до диелектрика електрично наелектрисано тело, које има, на пример, позитиван зупчаник, негативни јони диполних молекула ће бити привучени овим наелектрисањем, а позитивни јони ће бити одбијени. Због тога ће се молекули дипола ротирати. Ова ротација се назива оријентација.

Оријентација не представља потпуну ротацију свих диелектричних молекула. Молекул узет насумично у датом тренутку може завршити окренут према пољу, а само просечан број молекула има слабу оријентацију према пољу (тј. више молекула је окренуто према пољу него у супротном смеру).

Оријентацију омета топлотно кретање — хаотичне вибрације молекула око њихових равнотежних положаја. Што је температура нижа, то је јача оријентација молекула изазвана датим пољем. С друге стране, на датој температури оријентација је природно што је поље јаче.

Диелектрична поларизација

Као резултат оријентације диелектричних молекула на површини окренуту ка позитивном наелектрисању, појављују се негативни крајеви диполних молекула, а позитивни на супротној површини.

На површини диелектрика, електрична наелектрисања… Ова наелектрисања се називају поларизациони набоји, а њихово појављивање се назива процесом диелектричне поларизације.

Као што из наведеног следи, поларизација, у зависности од врсте диелектрика, може бити оријентацијска (оријентишу се готови диполни молекули) и деформациона или електронска поларизација померања (молекули у електричном пољу се деформишу, постају диполи).

Може се поставити питање зашто се поларизациони набоји формирају само на површинама диелектрика, а не унутар њега? Ово се објашњава чињеницом да се унутар диелектрика позитивни и негативни крајеви диполних молекула једноставно поништавају. Компензација ће бити одсутна само на површинама диелектрика или на граници између два диелектрика, као иу нехомогеном диелектрику.

Ако је диелектрик поларизован, то не значи да је наелектрисан, односно да има укупан електрични набој. Са поларизацијом, укупни набој диелектрика се не мења. Међутим, наелектрисање се може пренети диелектрику преношењем одређеног броја електрона на њега споља или узимањем одређеног броја сопствених електрона. У првом случају, диелектрик ће бити негативно наелектрисан, ау другом - позитивно.

Таква електрификација се може произвести нпр трењем… Ако стаклени штапић трљате о свилу, онда ће штап и свила бити наелектрисани супротним наелектрисањем (стакло - позитивно, свила - негативно).У овом случају, из стаклене шипке ће бити одабран одређени број електрона (веома мали део укупног броја електрона који припада свим атомима стаклене шипке).

Тако, у металима и другим проводницима (нпр. електролити) наелектрисања могу слободно да се крећу у телу. Диелектрици, с друге стране, не проводе и у њима се наелектрисања не могу померати на макроскопске (тј. велике у поређењу са величином атома и молекула) удаљености. У електричном пољу, диелектрик је само поларизован.

Диелектрична поларизација при јачини поља која не прелази одређене вредности за дати материјал је пропорционална јачини поља.

Међутим, како се напон повећава, унутрашње силе које везују елементарне честице различитих знакова у молекулима постају недовољне да задрже те честице у молекулима. Тада се електрони избацују из молекула, молекул се јонизује и диелектрик губи своја изолациона својства - долази до пропадања диелектрика.

Вредност јачине електричног поља при којој почиње распад диелектрика назива се градијент пробоја, или диелектрична чврстоћа.