Metali i dielektrici — koje su razlike?

Metali

Valentni elektroni metala slabo su vezani za svoje atome. Kada metalni atomi kondenzirajući se iz metalnih para formiraju tekući ili čvrsti metal, vanjski elektroni više nisu vezani za pojedinačne atome i mogu se slobodno kretati u tijelu.

Ovi elektroni su odgovorni za dobro poznatu značajnu vodljivost metala i nazivaju se elektroni vodljivosti.

Metalni atomi lišeni svojih valentnih elektrona, tj. pozitivnih iona, čine kristalnu rešetku.

U kristalnoj rešetki ioni izvode kaotične oscilacije oko svoje superpozicije ravnoteže, koja se nazivaju mjesta rešetke. Ove vibracije predstavljaju toplinsko gibanje rešetke i rastu s povećanjem temperature.

Elektroni vodljivosti u nedostatku električnog polja u metalu kreću se nasumično brzinama reda tisuća kilometara u sekundi.

Kada se napon dovede na metalnu žicu, elektroni vodljivosti, bez slabljenja njihovog kaotičnog gibanja, relativno se sporo odnose električnim poljem duž žice.

Ovim otklonom svi elektroni poprimaju, osim kaotične brzine, i malu brzinu uređenog kretanja (reda veličine npr. milimetara u sekundi). Ovo slabo uređeno kretanje k uzrokuje električna struja u žici.

Dielektrici

Sasvim je drugačija situacija s ostalim tvarima koje nose to ime izolatori (u jeziku fizike — dielektrici). U dielektricima, atomi vibriraju oko ravnoteže na isti način kao u metalima, ali imaju puni komplement elektrona.

Vanjski elektroni dielektričnih atoma čvrsto su vezani za svoje atome i nije ih lako odvojiti. Da biste to učinili, trebate značajno povećati temperaturu dielektrika ili ga podvrgnuti nekoj vrsti intenzivnog zračenja koje može odvojiti elektrone od atoma. U običnom stanju u dielektriku nema elektrona vodljivosti i dielektrici ne nose struju.

Većina dielektrika nisu atomski već molekularni kristali ili tekućine. To znači da mjesta rešetke nisu atomi, već molekule.

Mnoge se molekule sastoje od dvije skupine atoma ili samo dva atoma, od kojih je jedan električki pozitivan, a drugi negativan (takvi se nazivaju polarne molekule). Na primjer, u molekuli vode, oba atoma vodika su pozitivni dio, a atom kisika, oko kojeg se elektroni atoma vodika vrte većinu vremena, su negativni.

Dva naboja jednake veličine, ali suprotnog predznaka koji se nalaze na vrlo maloj udaljenosti jedan od drugog nazivaju se dipol. Polarne molekule su primjeri dipola.

Ako se molekule ne sastoje od suprotno nabijenih iona (nabijenih atoma), odnosno nisu polarne i ne predstavljaju dipole, tada pod djelovanjem električnog polja postaju dipoli.

Električno polje povlači pozitivne naboje koji ulaze u sastav molekule (na primjer, jezgre) u jednom smjeru, a negativne naboje u drugom smjeru i, razdvajajući ih, stvara dipole.

Takvi se dipoli nazivaju elastičnim - polje ih rasteže poput opruge. Ponašanje dielektrika s nepolarnim molekulama malo se razlikuje od ponašanja dielektrika s polarnim molekulama, te ćemo pretpostaviti da su molekule dielektrika dipoli.

Ako se komad dielektrika stavi u električno polje, odnosno dielektriku se prinese električno nabijeno tijelo koje ima npr. pozitivan zupčanik, negativne ione dipolnih molekula privući će taj naboj, a pozitivni ioni će se odbijati. Zbog toga će se molekule dipola okretati. Ova rotacija se naziva orijentacija.

Orijentacija ne predstavlja potpunu rotaciju svih dielektričnih molekula. Nasumično uzeta molekula u danom trenutku može završiti okrenuta prema polju, a samo prosječan broj molekula ima slabu orijentaciju prema polju (tj. više molekula je okrenuto prema polju nego u suprotnom smjeru).

Orijentaciju ometa toplinsko gibanje — kaotične vibracije molekula oko njihovih ravnotežnih položaja. Što je niža temperatura, to je jača orijentacija molekula uzrokovana određenim poljem. S druge strane, na određenoj temperaturi orijentacija je prirodna što je polje jače.

Dielektrična polarizacija

Uslijed orijentacije molekula dielektrika na površini okrenutoj prema pozitivnom naboju, pojavljuju se negativni krajevi molekula dipola, a pozitivni na suprotnoj površini.

Na površinama dielektrika, električni naboji… Ti se naboji nazivaju polarizacijski naboji, a njihova pojava naziva se proces dielektrične polarizacije.

Kao što slijedi iz navedenog, polarizacija, ovisno o vrsti dielektrika, može biti orijentacijska (gotove dipolne molekule su orijentirane) i deformacijska ili elektronska pomačna polarizacija (molekule u električnom polju se deformiraju, postaju dipoli).

Može se postaviti pitanje zašto se polarizacijski naboji stvaraju samo na površini dielektrika, a ne unutar njega? To se objašnjava činjenicom da se unutar dielektrika pozitivni i negativni krajevi dipolnih molekula jednostavno poništavaju. Kompenzacija će izostati samo na površinama dielektrika ili na granici između dva dielektrika, kao iu nehomogenom dielektriku.

Ako je dielektrik polariziran, to ne znači da je nabijen, odnosno da ima ukupni električni naboj. Polarizacijom se ukupni naboj dielektrika ne mijenja. Međutim, naboj se može prenijeti na dielektrik prijenosom određenog broja elektrona na njega izvana ili uzimanjem određenog broja vlastitih elektrona. U prvom slučaju, dielektrik će biti negativno nabijen, au drugom - pozitivno nabijen.

Takva se elektrifikacija može proizvesti, na primjer, pomoću trenjem… Ako stakleni štapić trljate o svilu, tada će štap i svila biti nabijeni suprotnim nabojem (staklo – pozitivno, svila – negativno).U ovom slučaju, određeni broj elektrona će biti odabran iz staklene šipke (vrlo mali dio ukupnog broja elektrona koji pripadaju svim atomima staklene šipke).

Tako, u metalima i drugim vodičima (npr. elektroliti) naboji se mogu slobodno kretati u tijelu. Dielektrici, s druge strane, ne provode i u njima se naboji ne mogu pomaknuti na makroskopske (tj. velike u usporedbi s veličinom atoma i molekula) udaljenosti. U električnom polju dielektrik je samo polariziran.

Dielektrična polarizacija pri jakosti polja koja ne prelazi određene vrijednosti za dati materijal proporcionalna je jakosti polja.

Kako napon raste, međutim, unutarnje sile koje vežu elementarne čestice različitih predznaka u molekulama postaju nedostatne da zadrže te čestice u molekulama. Tada se elektroni izbacuju iz molekula, molekula se ionizira i dielektrik gubi svoja izolacijska svojstva — dolazi do proboja dielektrika.

Vrijednost jakosti električnog polja pri kojoj počinje proboj dielektrika naziva se probojni gradijent, odn dielektrična čvrstoća.