Metāli un dielektriķi — kādas ir atšķirības?

Metāli

Metāla valences elektroni ir vāji saistīti ar to atomiem. Kad metāla atomi, kas kondensējas no metāla tvaikiem, veido šķidru vai cietu metālu, ārējie elektroni vairs nav saistīti ar atsevišķiem atomiem un var brīvi pārvietoties ķermenī.

Šie elektroni ir atbildīgi par labi zināmo metālu nozīmīgo vadītspēju, un tos sauc par vadīšanas elektroniem.

Metāla atomi, kuriem ir atdalīti valences elektroni, t.i., pozitīvie joni, veido kristāla režģi.

Kristāla režģī joni veic haotiskas svārstības ap to līdzsvara superpozīciju, ko sauc par režģa vietām. Šīs vibrācijas atspoguļo režģa termisko kustību un palielinās, palielinoties temperatūrai.

Vadības elektroni, ja metālā nav elektriskā lauka, pārvietojas nejauši ar ātrumu tūkstošiem kilometru sekundē.

Kad metāla stieplei tiek pielikts spriegums, vadīšanas elektroni, nemazinot to haotisko kustību, ar elektrisko lauku gar vadu tiek aizvadīti salīdzinoši lēni.

Ar šo novirzi visi elektroni papildus haotiskajam ātrumam iegūst nelielu sakārtotas kustības ātrumu (piemēram, milimetros sekundē). Šī vāji sakārtotā k cēloņu kustība elektriskā strāva vadā.

Dielektriķi

Pavisam cita situācija ir ar citām vielām, kurām ir šis nosaukums izolatori (fizikas valodā — dielektriķi). Dielektriķos atomi vibrē par līdzsvaru tāpat kā metālos, taču tiem ir pilns elektronu komplekts.

Dielektrisko atomu ārējie elektroni ir stipri saistīti ar to atomiem, un tos nav tik viegli atdalīt. Lai to izdarītu, jums ir ievērojami jāpaaugstina dielektriķa temperatūra vai jāpakļauj tam kāda veida intensīvam starojumam, kas var atdalīt elektronus no atomiem. Parastā stāvoklī dielektrikā nav vadītspējas elektronu, un dielektriķi nenes strāvu.

Lielākā daļa dielektriķu nav atomu, bet gan molekulāri kristāli vai šķidrumi. Tas nozīmē, ka režģa vietas nav atomi, bet gan molekulas.

Daudzas molekulas sastāv no divām atomu grupām vai tikai diviem atomiem, no kuriem viens ir elektriski pozitīvs, bet otrs negatīvs (tās sauc par polārajām molekulām). Piemēram, ūdens molekulā abi ūdeņraža atomi ir pozitīvā daļa, un skābekļa atoms, ap kuru lielāko daļu laika griežas ūdeņraža atomu elektroni, ir negatīvs.

Divus vienāda lieluma, bet pretējās zīmes lādiņus, kas atrodas ļoti nelielā attālumā viens no otra, sauc par dipolu. Polārās molekulas ir dipolu piemēri.

Ja molekulas nesastāv no pretēji lādētiem joniem (lādētiem atomiem), tas ir, tās nav polāras un neatspoguļo dipolus, tad elektriskā lauka iedarbībā tās kļūst par dipoliem.

Elektriskais lauks vienā virzienā ievelk pozitīvos lādiņus, kas ir iekļauti molekulas (piemēram, kodola) sastāvā, bet otrā virzienā negatīvos lādiņus un, atstumjot tos, veido dipolus.

Šādus dipolus sauc par elastīgiem — lauks tos stiepj kā atspere. Dielektriķa uzvedība ar nepolārām molekulām maz atšķiras no dielektriķa uzvedības ar polārām molekulām, un mēs pieņemsim, ka dielektriskās molekulas ir dipoli.

Ja elektriskajā laukā ievieto dielektriķa gabalu, tas ir, dielektriķim tiek pievadīts elektriski lādēts ķermenis, kuram ir, piemēram, pozitīvs pārnesums, dipola molekulu negatīvie joni tiks piesaistīti šim lādiņam, un pozitīvie joni tiks atvairīti. Tāpēc dipola molekulas griezīsies. Šo rotāciju sauc par orientāciju.

Orientācija neatspoguļo visu dielektrisko molekulu pilnīgu rotāciju. Noteiktā laikā nejauši ņemta molekula var nonākt pret lauku, un tikai vidējam skaitam molekulu ir vāja orientācija uz lauku (ti, pret lauku ir vērstas vairāk molekulu nekā pretējā virzienā).

Orientēšanos kavē termiskā kustība — haotiskas molekulu vibrācijas ap to līdzsvara pozīcijām. Jo zemāka temperatūra, jo spēcīgāka ir molekulu orientācija, ko rada dotais lauks. No otras puses, noteiktā temperatūrā orientācija ir dabiski, jo spēcīgāks ir lauks.

Dielektriskā polarizācija

Dielektrisko molekulu orientācijas rezultātā uz virsmas, kas vērsta pret pozitīvo lādiņu, parādās dipola molekulu negatīvie gali, bet pretējā virsmā - pozitīvie.

Uz dielektriķa virsmām, elektriskie lādiņi… Šos lādiņus sauc par polarizācijas lādiņiem, un to rašanos sauc par dielektriskās polarizācijas procesu.

Kā izriet no iepriekš minētā, polarizācija atkarībā no dielektriķa veida var būt orientējoša (orientētas ir gatavās dipola molekulas) un deformācijas jeb elektroniskās nobīdes polarizācija (molekulas elektriskajā laukā deformējas, kļūstot par dipoliem).

Var rasties jautājums, kāpēc polarizācijas lādiņi veidojas tikai uz dielektriķa virsmām, nevis tā iekšpusē? Tas izskaidrojams ar to, ka dielektriķa iekšpusē dipola molekulu pozitīvie un negatīvie gali vienkārši atceļas. Kompensācijas nebūs tikai dielektriķa virsmās vai divu dielektriķu saskarnē, kā arī nehomogēnā dielektrikā.

Ja dielektriķis ir polarizēts, tas nenozīmē, ka tas ir uzlādēts, tas ir, tam ir kopējais elektriskais lādiņš. Ar polarizāciju dielektriķa kopējais lādiņš nemainās. Tomēr dielektriķim var piešķirt lādiņu, pārnesot uz to noteiktu skaitu elektronu no ārpuses vai paņemot noteiktu skaitu tā elektronu. Pirmajā gadījumā dielektriķis būs negatīvi uzlādēts, bet otrajā - pozitīvi.

Šādu elektrifikāciju var veikt, piemēram, ar ar berzi… Ja rīvē stikla stieni uz zīda, tad stienis un zīds tiks uzlādēti ar pretējiem lādiņiem (stikls - pozitīvs, zīds - negatīvs).Šajā gadījumā no stikla stieņa tiks izvēlēts noteikts elektronu skaits (ļoti neliela daļa no kopējā elektronu skaita, kas pieder visiem stikla stieņa atomiem).

Tātad, metālos un citos vadītājos (piemēram, elektrolīti) lādiņi var brīvi pārvietoties ķermenī. Savukārt dielektriķi nevada, un tajos lādiņi nevar pārvietot makroskopiskus (ti, lielus, salīdzinot ar atomu un molekulu lielumu) attālumus. Elektriskā laukā dielektriķis ir tikai polarizēts.

Dielektriskā polarizācija pie lauka intensitātes, kas nepārsniedz noteiktas vērtības konkrētam materiālam, ir proporcionāls lauka intensitātei.

Palielinoties spriegumam, iekšējie spēki, kas saista dažādu zīmju elementārdaļiņas molekulās, kļūst nepietiekami, lai šīs daļiņas noturētu molekulās. Tad no molekulām tiek izmesti elektroni, molekula tiek jonizēta un dielektriķis zaudē savas izolācijas īpašības — notiek dielektrisks sabrukums.

Elektriskā lauka intensitātes vērtību, pie kuras sākas dielektriskā sadalīšanās, sauc par sadalījuma gradientu vai dielektriskā izturība.