Metalls i dielèctrics: quines són les diferències?

Metalls

Els electrons de valència d'un metall estan dèbilment enllaçats als seus àtoms. Quan els àtoms metàl·lics que es condensen a partir de vapors metàl·lics formen un metall líquid o sòlid, els electrons exteriors ja no estan units als àtoms individuals i es poden moure lliurement al cos.

Aquests electrons són els responsables de la coneguda conductivitat significativa dels metalls i s'anomenen electrons de conducció.

Els àtoms metàl·lics despullats dels seus electrons de valència, és a dir, els ions positius, formen la xarxa cristal·lina.

A la xarxa cristal·lina, els ions realitzen oscil·lacions caòtiques al voltant de la seva superposició d'equilibri, anomenades llocs de gelosia. Aquestes vibracions representen el moviment tèrmic de la xarxa i augmenten amb l'augment de la temperatura.

Els electrons de conducció en absència de camp elèctric al metall es mouen aleatòriament a velocitats de l'ordre de milers de quilòmetres per segon.

Quan s'aplica una tensió a un cable metàl·lic, els electrons de conducció, sense debilitar el seu moviment caòtic, són enduts relativament lentament per un camp elèctric al llarg del cable.

Amb aquesta desviació, tots els electrons adquireixen, a més de la velocitat caòtica, una petita velocitat de moviment ordenat (de l'ordre de, per exemple, mil·límetres per segon). Aquest moviment feblement ordenat de k provoca corrent elèctric en un cable.

Dielèctrics

La situació és completament diferent amb altres substàncies que porten el nom aïllants (en el llenguatge de la física — dielèctrics). En els dielèctrics, els àtoms vibren al voltant de l'equilibri de la mateixa manera que en els metalls, però tenen un complement complet d'electrons.

Els electrons exteriors dels àtoms dielèctrics estan fortament lligats als seus àtoms i no és tan fàcil separar-los. Per fer-ho, cal augmentar significativament la temperatura del dielèctric o sotmetre'l a algun tipus de radiació intensa que pugui treure electrons dels àtoms. En l'estat ordinari, no hi ha electrons de conducció en un dielèctric i els dielèctrics no transporten corrent.

La majoria dels dielèctrics no són cristalls o líquids atòmics sinó moleculars. Això vol dir que els llocs de gelosia no són àtoms, sinó molècules.

Moltes molècules consisteixen en dos grups d'àtoms o només dos àtoms, un dels quals és elèctricament positiu i l'altre negatiu (s'anomenen molècules polars). Per exemple, en una molècula d'aigua, tots dos àtoms d'hidrogen són la part positiva, i l'àtom d'oxigen, al voltant del qual giren la major part del temps els electrons dels àtoms d'hidrogen, són negatius.

Dues càrregues d'igual magnitud però de signe oposat situades a una distància molt petita l'una de l'altra s'anomenen dipol. Les molècules polars són exemples de dipols.

Si les molècules no estan formades per ions de càrrega oposada (àtoms carregats), és a dir, no són polars i no representen dipols, aleshores es converteixen en dipols sota l'acció d'un camp elèctric.

El camp elèctric atrau càrregues positives, que estan incloses en la composició d'una molècula (per exemple, un nucli), en una direcció, i càrregues negatives en l'altra i, separant-les, crea dipols.

Aquests dipols s'anomenen elàstics: el camp els estira com una molla. El comportament d'un dielèctric amb molècules no polars difereix poc del comportament d'un dielèctric amb molècules polars, i assumirem que les molècules dielèctriques són dipols.

Si es col·loca un tros de dielèctric en un camp elèctric, és a dir, un cos carregat elèctricament es porta al dielèctric, que té, per exemple, un engranatge positiu, els ions negatius de les molècules dipols seran atrets per aquesta càrrega, i el Els ions positius seran repel·lits. Per tant, les molècules dipols giraran. Aquesta rotació s'anomena orientació.

L'orientació no representa una rotació completa de totes les molècules dielèctriques. Una molècula presa a l'atzar en un moment determinat pot acabar mirant cap al camp, i només un nombre mitjà de molècules tenen una orientació feble cap al camp (és a dir, més molècules s'enfronten al camp que en sentit contrari).

L'orientació es veu obstaculitzada pel moviment tèrmic: vibracions caòtiques de les molècules al voltant de les seves posicions d'equilibri. Com més baixa sigui la temperatura, més forta serà l'orientació de les molècules causada per un camp determinat. D'altra banda, a una temperatura determinada, l'orientació és naturalment com més fort és el camp.

Polarització dielèctrica

Com a resultat de l'orientació de les molècules dielèctriques a la superfície enfront de la càrrega positiva, apareixen els extrems negatius de les molècules dipols, i els positius a la superfície oposada.

A les superfícies del dielèctric, càrregues elèctriques... Aquestes càrregues s'anomenen càrregues de polarització i la seva aparició s'anomena procés de polarització dielèctrica.

Com es desprèn de l'anterior, la polarització, segons el tipus de dielèctric, pot ser orientativa (s'orienten les molècules dipols ja fetes) i polarització per deformació o desplaçament electrònic (les molècules en un camp elèctric es deformen, convertint-se en dipols).

Pot sorgir la pregunta per què les càrregues de polarització només es formen a les superfícies del dielèctric i no a l'interior? Això s'explica pel fet que dins del dielèctric els extrems positius i negatius de les molècules dipols simplement s'anul·len. La compensació només estarà absent a les superfícies d'un dielèctric o a la interfície entre dos dielèctrics, així com en un dielèctric no homogeni.

Si el dielèctric està polaritzat, no vol dir que estigui carregat, és a dir, té una càrrega elèctrica total. Amb la polarització, la càrrega total del dielèctric no canvia. No obstant això, una càrrega es pot impartir a un dielèctric transferint-li un cert nombre d'electrons des de l'exterior o agafant un cert nombre dels seus propis electrons. En el primer cas, el dielèctric estarà carregat negativament i, en el segon, carregat positivament.

Aquesta electrificació es pot produir, per exemple, per per fricció… Si fregueu una vareta de vidre sobre la seda, llavors la vareta i la seda es carregaran amb càrregues oposades (vidre - positiu, seda - negatiu).En aquest cas, es seleccionarà un cert nombre d'electrons de la vareta de vidre (una fracció molt petita del nombre total d'electrons que pertanyen a tots els àtoms de la vareta de vidre).

Tan, en metalls i altres conductors (per exemple, els electròlits) les càrregues es poden moure lliurement al cos. Els dielèctrics, en canvi, no condueixen, i en ells les càrregues no poden moure distàncies macroscòpiques (és a dir, grans en comparació amb la mida dels àtoms i les molècules). En un camp elèctric, el dielèctric només està polaritzat.

Polarització dielèctrica a una intensitat de camp que no superi certs valors per a un material determinat és proporcional a la intensitat de camp.

Tanmateix, a mesura que augmenta la tensió, les forces internes que uneixen partícules elementals de diferents signes a les molècules es tornen insuficients per retenir aquestes partícules a les molècules. Aleshores, els electrons són expulsats de les molècules, la molècula s'ionitza i el dielèctric perd les seves propietats aïllants. es produeix una ruptura dielèctrica.

El valor de la intensitat del camp elèctric en què comença la ruptura dielèctrica s'anomena gradient de ruptura, o rigidesa dielèctrica.