Proč dielektrika nevedou proud
Odpověď na otázku "proč dielektrikum nevede elektřinu?" na vzhled a existenci elektrického proudu… A pak srovnejme, jak se chovají vodiče a dielektrika ve vztahu k nalezení odpovědi na tuto otázku.
Aktuální
Elektrický proud se nazývá uspořádaný, to znamená usměrněný pohyb nabitých částic elektrické pole… Za prvé, existence elektrického proudu vyžaduje přítomnost volných nabitých částic, které se mohou pohybovat řízeným způsobem. Za druhé, k pohonu těchto nábojů je potřeba elektrické pole. A samozřejmě musí existovat určitý prostor, ve kterém tento pohyb nabitých částic, nazývaný elektrický proud, probíhá.
Volné nabité částice se hojně vyskytují ve vodičích: v kovech, v elektrolytech, v plazmatu. V měděném vodiči jsou to např. volné elektrony, v elektrolytu - ionty např. ionty kyseliny sírové (vodík a oxid síry) v olověném akumulátoru, v plazmě - ionty a elektrony, jsou to ty, které pohybovat se během elektrického výboje v ionizovaném plynu.
Kov
Vezměme například dva kusy měděného drátu a pomocí nich připojte malou žárovku k baterii. Co se bude dít? Světlo začne svítit, což znamená, že a stejnosměrný elektrický proud… Mezi konci vodičů je nyní potenciálový rozdíl vytvořený baterií, což znamená, že uvnitř vodiče začalo působit elektrické pole.
Elektrické pole nutí elektrony vnějších obalů atomů mědi, aby se pohybovaly ve směru pole — od atomu k atomu, od atomu k dalšímu atomu a tak dále podél řetězce, protože elektrony vnějších obalů kovu atomy jsou mnohem méně pevně vázány k jádrům než elektrony blíže k jádrům elektronových drah. Z místa, kde zůstal elektron, přichází další elektron ze záporného pólu baterie, to znamená, že se elektrony volně pohybují po kovovém řetězci a snadno mění svou příslušnost k atomům.
Zdá se, že se tvoří podél krystalové mřížky kovu ve směru, kterým jsou tlačeny a snaží se urychlit elektrické pole (od mínus do plus konstantního zdroje EMF), zatímco elektrony ulpívají na atomech krystalové mřížky. po celé jejich cestě.
Některé elektrony se při svém pohybu rozpadají na atomy (vzhledem k tomu, že tepelný pohyb rozvibruje celou strukturu atomů spolu s elektrony), v důsledku čehož se vodič zahřívá - projevuje se to elektrický odpor vodičů.
Volné elektrony v kovu
Studium kovů pomocí rentgenového záření, ale i jiných metod ukázalo, že kovy mají krystalickou strukturu.To znamená, že se skládají z atomů nebo molekul uspořádaných určitým způsobem v prostoru (v pořadí iontů), které vytvářejí správné střídání ve všech třech dimenzích.
Za těchto podmínek jsou atomy prvků umístěny tak blízko sebe, že jejich vnější elektrony patří tomuto atomu ve stejné míře jako sousedním, v důsledku čehož je stupeň vazby elektronu ke každému jednotlivému atomu prakticky chybí.
V závislosti na typu kovu je alespoň jeden z elektronů každého atomu, někdy dva elektrony a v některých případech dokonce tři elektrony volné, pokud jde o jejich pohyby v kovu, pod vlivem vnějších sil.
Dielektrikum
Co je v dielektriku? Pokud místo měděných drátů vezmete plast, papír nebo něco podobného? Nebude tam elektřina, nerozsvítí se žádné světlo. Proč? Struktura dielektrika je taková, že se skládá z neutrálních molekul, které ani při působení elektrického pole neuvolňují své elektrony uspořádaným pohybem – prostě nemohou. V dielektriku nejsou žádné volné vodivé elektrony, jako v kovu.
Vnější elektrony v atomu jakékoli dielektrické molekuly jsou pevně sbaleny, navíc se podílejí na vnitřních vazbách molekuly, přičemž molekuly takové látky jsou obvykle elektricky neutrální. Jediné, co mohou molekuly dielektrika udělat, je polarizovat.
Při působení elektrického pole, které je na ně aplikováno, se související elektrické náboje každé molekuly jednoduše mírně posunou z rovnovážné polohy, zatímco každá nabitá částice zůstane ve svém vlastním atomu. Tento jev se nazývá posun náboje dielektrická polarizace.
V důsledku polarizace se na povrchu takto polarizovaného dielektrika elektrickým polem na něj působícím objevují náboje, které mají tendenci svým elektrickým polem snižovat vnější elektrické pole, které polarizaci způsobilo. Schopnost dielektrika oslabit tímto způsobem vnější elektrické pole se nazývá dielektrická konstanta.