Kovy a dielektrika – jaké jsou rozdíly?

Kovy

Valenční elektrony kovu jsou slabě vázány na jejich atomy. Když atomy kovu kondenzující z kovových par tvoří kapalný nebo pevný kov, vnější elektrony již nejsou vázány na jednotlivé atomy a mohou se volně pohybovat v těle.

Tyto elektrony jsou zodpovědné za známou významnou vodivost kovů a nazývají se vodivostní elektrony.

Atomy kovů zbavené svých valenčních elektronů, tedy kladných iontů, tvoří krystalovou mřížku.

V krystalové mřížce provádějí ionty chaotické oscilace kolem své superpozice rovnováhy, nazývané mřížková místa. Tyto vibrace představují tepelný pohyb mřížky a zvyšují se s rostoucí teplotou.

Vodivostní elektrony se v nepřítomnosti elektrického pole v kovu pohybují náhodně rychlostí řádově tisíců kilometrů za sekundu.

Když se na kovový drát přivede napětí, vodivé elektrony, aniž by zeslabily jejich chaotický pohyb, jsou unášeny relativně pomalu elektrickým polem podél drátu.

Touto odchylkou získávají všechny elektrony kromě chaotické rychlosti i malou rychlost uspořádaného pohybu (řádově např. milimetry za vteřinu). Tento slabě uspořádaný pohyb k způsobuje elektrický proud v drátu.

Dielektrika

Zcela jiná je situace u ostatních látek, které nesou název izolanty (řečí fyziky — dielektrika). V dielektrikách atomy kmitají přibližně v rovnováze stejným způsobem jako v kovech, ale mají plný počet elektronů.

Vnější elektrony dielektrických atomů jsou silně vázány na jejich atomy a není tak snadné je oddělit. Chcete-li to provést, musíte výrazně zvýšit teplotu dielektrika nebo jej vystavit nějakému druhu intenzivního záření, které může odstranit elektrony z atomů. V běžném stavu nejsou v dielektriku žádné vodivé elektrony a dielektrika nevedou proud.

Většina dielektrik nejsou atomární, ale molekulární krystaly nebo kapaliny. To znamená, že mřížková místa nejsou atomy, ale molekuly.

Mnoho molekul se skládá ze dvou skupin atomů nebo pouze dvou atomů, z nichž jeden je elektricky pozitivní a druhý negativní (nazývají se polární molekuly). Například v molekule vody jsou oba atomy vodíku kladnou částí a atom kyslíku, kolem kterého po většinu času obíhají elektrony atomů vodíku, jsou záporné.

Dva náboje stejné velikosti, ale opačného znaménka umístěné ve velmi malé vzdálenosti od sebe, se nazývají dipól. Polární molekuly jsou příklady dipólů.

Pokud se molekuly neskládají z opačně nabitých iontů (nabitých atomů), to znamená, že nejsou polární a nepředstavují dipóly, pak se působením elektrického pole stávají dipóly.

Elektrické pole přitahuje kladné náboje, které jsou součástí molekuly (například jádra), jedním směrem a záporné náboje druhým směrem a jejich odtlačováním vytváří dipóly.

Takové dipóly se nazývají elastické — pole je napíná jako pružina. Chování dielektrika s nepolárními molekulami se jen málo liší od chování dielektrika s polárními molekulami a budeme předpokládat, že dielektrické molekuly jsou dipóly.

Pokud se kousek dielektrika umístí do elektrického pole, to znamená, že se k dielektriku přivede elektricky nabité těleso, které má např. kladný převod, budou záporné ionty dipólových molekul přitahovány k tomuto náboji a kladné ionty budou odpuzovány. Proto budou molekuly dipólu rotovat. Tato rotace se nazývá orientace.

Orientace nepředstavuje úplnou rotaci všech dielektrických molekul. Náhodně odebraná molekula v daném čase může skončit čelem k poli a pouze průměrný počet molekul má slabou orientaci k poli (tj. více molekul je obráceno k poli než v opačném směru).

Orientaci brání tepelný pohyb – chaotické vibrace molekul kolem jejich rovnovážných poloh. Čím nižší je teplota, tím silnější je orientace molekul způsobená daným polem. Na druhou stranu, při dané teplotě je orientace přirozeně tím silnější, čím je pole.

Dielektrická polarizace

V důsledku orientace dielektrických molekul na povrchu směrem ke kladnému náboji se objeví záporné konce molekul dipólu a kladné konce na opačném povrchu.

Na povrchu dielektrika, elektrické náboje… Tyto náboje se nazývají polarizační náboje a jejich vznik se nazývá proces polarizace dielektrika.

Jak vyplývá z výše uvedeného, ​​polarizace může být v závislosti na typu dielektrika orientační (orientují se hotové dipólové molekuly) a deformační nebo elektronová posunová polarizace (molekuly v elektrickém poli se deformují a stávají se dipóly).

Může vyvstat otázka, proč se polarizační náboje tvoří pouze na površích dielektrika a nikoli uvnitř něj? To se vysvětluje skutečností, že uvnitř dielektrika se kladný a záporný konec molekul dipólu jednoduše zruší. Kompenzace bude chybět pouze na površích dielektrika nebo na rozhraní mezi dvěma dielektriky, stejně jako v nehomogenním dielektriku.

Pokud je dielektrikum polarizované, neznamená to, že je nabité, to znamená, že má celkový elektrický náboj. Při polarizaci se celkový náboj dielektrika nemění. Náboj však může být předán dielektriku přenosem určitého počtu elektronů zvenčí nebo odebráním určitého počtu jeho vlastních elektronů. V prvním případě bude dielektrikum záporně nabité a ve druhém kladně nabité.

Takovou elektrifikaci lze vyrobit např třením… Pokud otřete skleněnou tyčinkou hedvábí, pak se tyčinka a hedvábí nabijí opačnými náboji (sklo - pozitivní, hedvábí - negativní).V tomto případě bude ze skleněné tyčinky vybrán určitý počet elektronů (velmi malý zlomek celkového počtu elektronů patřících všem atomům skleněné tyčinky).

Tak, v kovech a jiných vodičích (např. elektrolyty) se náboje mohou v těle volně pohybovat. Dielektrika naproti tomu nevedou a náboje se v nich nemohou pohybovat na makroskopické (tj. velké ve srovnání s velikostí atomů a molekul) na vzdálenosti. V elektrickém poli je dielektrikum pouze polarizované.

Dielektrická polarizace při intenzitě pole, která nepřesahuje určité hodnoty pro daný materiál, je úměrná intenzitě pole.

S rostoucím napětím se však vnitřní síly, které vážou elementární částice různých znaků v molekulách, stávají nedostačujícími k udržení těchto částic v molekulách. Poté jsou elektrony vyvrženy z molekul, molekula je ionizována a dielektrikum ztrácí své izolační vlastnosti — dochází k průrazu dielektrika.

Hodnota intenzity elektrického pole, při které začíná průraz dielektrika, se nazývá průrazný gradient, popř dielektrická pevnost.