Metaller ve Dielektrikler—Farklar Nelerdir?

metaller

Bir metalin değerlik elektronları atomlarına zayıf bir şekilde bağlıdır. Metal buharlarından yoğunlaşan metal atomları sıvı veya katı bir metal oluşturduğunda, dış elektronlar artık tek tek atomlara bağlı değildir ve vücutta serbestçe hareket edebilirler.

Bu elektronlar, metallerin iyi bilinen önemli iletkenliğinden sorumludur ve bunlara iletim elektronları denir.

Değerlik elektronlarından sıyrılan metal atomları, yani pozitif iyonlar kristal kafesi oluşturur.

Kristal kafeste iyonlar, kafes bölgeleri adı verilen denge süperpozisyonları etrafında kaotik salınımlar gerçekleştirirler. Bu titreşimler kafesin termal hareketini temsil eder ve artan sıcaklıkla artar.

İletim elektronları, metalde bir elektrik alanının yokluğunda saniyede binlerce kilometre mertebesinde rastgele hareket eder.

Metal bir tele voltaj uygulandığında, iletim elektronları, kaotik hareketlerini zayıflatmadan, tel boyunca bir elektrik alanı tarafından nispeten yavaş bir şekilde taşınır.

Bu sapma ile, tüm elektronlar, kaotik hıza ek olarak, küçük bir düzenli hareket hızı elde eder (örneğin, saniyede milimetre mertebesinde). k'nin bu zayıf sıralı hareketi neden olur bir teldeki elektrik akımı.

dielektrikler

Adını taşıyan diğer maddelerde ise durum tamamen farklıdır. izolatörler (fizik dilinde - dielektrikler). Dielektriklerde, atomlar metallerde olduğu gibi denge etrafında titreşirler, ancak tam bir elektron tamamlayıcısına sahiptirler.

Dielektrik atomların dış elektronları atomlarına güçlü bir şekilde bağlıdır ve onları ayırmak o kadar kolay değildir. Bunu yapmak için, dielektrik maddenin sıcaklığını önemli ölçüde artırmanız veya onu atomlardan elektronları ayırabilen bir tür yoğun radyasyona maruz bırakmanız gerekir. Sıradan durumda, bir dielektrikte iletim elektronları yoktur ve dielektrikler akım taşımaz.

Çoğu dielektrik atomik değil, moleküler kristaller veya sıvılardır. Bu, kafes bölgelerinin atomlar değil, moleküller olduğu anlamına gelir.

Birçok molekül, biri elektriksel olarak pozitif ve diğeri negatif olan iki atom grubundan veya sadece iki atomdan oluşur (bunlara polar moleküller denir). Örneğin bir su molekülünde hem hidrojen atomu pozitif kısımdır hem de hidrojen atomlarının elektronlarının çoğu zaman etrafında döndüğü oksijen atomu negatif kısımdır.

Birbirine çok küçük bir mesafede bulunan eşit büyüklükte ancak zıt işaretli iki yüke dipol denir. Polar moleküller dipol örnekleridir.

Moleküller zıt yüklü iyonlardan (yüklü atomlar) oluşmuyorsa, yani polar değillerse ve dipolleri temsil etmiyorlarsa, bir elektrik alanının etkisi altında dipol olurlar.

Elektrik alanı, bir molekülün (örneğin bir çekirdeğin) bileşimine dahil olan pozitif yükleri bir yönde, negatif yükleri diğer yönde çeker ve bunları birbirinden ayırarak dipoller oluşturur.

Bu tür dipollere elastik denir - alan onları bir yay gibi gerer. Bir dielektrikin polar olmayan moleküllerle davranışı, bir dielektrikin polar moleküllerle davranışından çok az farklıdır ve dielektrik moleküllerin dipol olduğunu varsayacağız.

Bir elektrik alanına bir dielektrik parçası yerleştirilirse, yani elektrik yüklü bir cisim, örneğin pozitif bir dişliye sahip olan dielektrik üzerine getirilirse, dipol moleküllerinin negatif iyonları bu yüke çekilir ve pozitif iyonlar itilecektir. Bu nedenle, dipol molekülleri dönecektir. Bu dönüşe yönlenme denir.

Oryantasyon, tüm dielektrik moleküllerin tam bir dönüşünü temsil etmez. Belirli bir zamanda rastgele alınan bir molekül, alana bakabilir ve yalnızca ortalama sayıda molekül alana göre zayıf bir oryantasyona sahiptir (yani, alana ters yönden bakan moleküllerin sayısı daha fazladır).

Oryantasyon, termal hareket tarafından engellenir - moleküllerin denge konumları etrafındaki kaotik titreşimleri. Sıcaklık ne kadar düşük olursa, belirli bir alanın neden olduğu moleküllerin yönelimi o kadar güçlü olur. Öte yandan, belirli bir sıcaklıkta yönlendirme doğal olarak alan daha güçlüdür.

dielektrik polarizasyon

Dielektrik moleküllerin pozitif yüke bakan yüzeydeki yönelimi sonucunda dipol moleküllerin negatif uçları, pozitif uçları ise karşı yüzeyde görünür.

Dielektrik yüzeylerinde, elektrik ücretleri... Bu yüklere polarizasyon yükleri denir ve bunların oluşumuna dielektrik polarizasyon süreci denir.

Yukarıdakilerden aşağıdaki gibi, polarizasyon, dielektrik tipine bağlı olarak, yönelimli (hazır dipol molekülleri yönlendirilir) ve deformasyon veya elektronik yer değiştirme polarizasyonu (bir elektrik alanındaki moleküller deforme olur, dipol haline gelir) olabilir.

Polarizasyon yüklerinin neden dielektrikin içinde değil de sadece yüzeylerinde oluştuğu sorusu ortaya çıkabilir. Bu, dielektrik içinde dipol moleküllerinin pozitif ve negatif uçlarının basitçe iptal olmasıyla açıklanır. Telafi sadece bir dielektrik yüzeylerinde veya iki dielektrik arasındaki arayüzde ve ayrıca homojen olmayan bir dielektrikte olmayacaktır.

Dielektrik polarize ise, yüklü olduğu anlamına gelmez, yani toplam elektrik yüküne sahiptir. Polarizasyon ile dielektrikin toplam yükü değişmez. Bununla birlikte, bir yalıtığa dışarıdan belirli sayıda elektron aktararak veya belirli sayıda kendi elektronunu alarak bir dielektrik yük verilebilir. İlk durumda, dielektrik negatif olarak yüklenecek ve ikinci durumda - pozitif olarak yüklenecektir.

Bu tür bir elektrifikasyon, örneğin şu şekilde üretilebilir: sürtünme ile… Bir cam çubuğu ipeğe sürerseniz, çubuk ve ipek zıt yüklerle yüklenir (cam - pozitif, ipek - negatif).Bu durumda, cam çubuktan belirli sayıda elektron seçilecektir (cam çubuğun tüm atomlarına ait toplam elektron sayısının çok küçük bir kısmı).

Bu yüzden, metallerde ve diğer iletkenlerde (örn. elektrolitler) yükleri vücutta serbestçe hareket edebilir. Öte yandan dielektrikler iletmezler ve içlerindeki yükler makroskobik (yani, atomların ve moleküllerin boyutuna kıyasla büyük) mesafeleri hareket ettiremezler. Bir elektrik alanında, dielektrik sadece polarizedir.

dielektrik polarizasyon belirli bir malzeme için belirli değerleri aşmayan bir alan kuvveti, alan kuvveti ile orantılıdır.

Bununla birlikte, voltaj arttıkça, moleküllerdeki farklı işaretlere sahip temel parçacıkları bağlayan iç kuvvetler, bu parçacıkları moleküllerde tutmak için yetersiz hale gelir. Daha sonra elektronlar moleküllerden dışarı atılır, molekül iyonize olur ve dielektrik yalıtkan özelliklerini kaybeder — dielektrik bozulma meydana gelir.

Dielektrik bozulmanın başladığı elektrik alan şiddetinin değeri, bozulma gradyanı olarak adlandırılır veya dielektrik gücü.