Mga Metal at Dielectric—Ano ang Mga Pagkakaiba?

Mga metal

Ang mga valence electron ng isang metal ay mahinang nakagapos sa kanilang mga atomo. Kapag ang mga metal na atom na nagmumula sa mga singaw ng metal ay bumubuo ng isang likido o solidong metal, ang mga panlabas na electron ay hindi na nakagapos sa mga indibidwal na atomo at maaaring malayang gumagalaw sa katawan.

Ang mga electron na ito ay responsable para sa kilalang makabuluhang conductivity ng mga metal at sila ay tinatawag na conduction electron.

Ang mga metal na atom na natanggalan ng kanilang mga valence electron, i.e. mga positibong ion, ay bumubuo sa kristal na sala-sala.

Sa kristal na sala-sala, ang mga ion ay nagsasagawa ng mga magulong oscillations sa paligid ng kanilang superposition ng equilibrium, na tinatawag na mga lattice site. Ang mga vibrations na ito ay kumakatawan sa thermal motion ng sala-sala at tumataas sa pagtaas ng temperatura.

Ang mga conduction electron sa kawalan ng isang electric field sa metal ay gumagalaw nang sapalaran sa bilis ng pagkakasunud-sunod ng libu-libong kilometro bawat segundo.

Kapag ang isang boltahe ay inilapat sa isang metal wire, ang mga electron ng pagpapadaloy, nang hindi pinapahina ang kanilang magulong paggalaw, ay medyo mabagal na nadadala ng isang electric field sa kahabaan ng wire.

Sa paglihis na ito, ang lahat ng mga electron ay nakakakuha, bilang karagdagan sa magulong bilis, isang maliit na bilis ng iniutos na paggalaw (ng pagkakasunud-sunod ng, halimbawa, millimeters bawat segundo). Ang mahinang ayos na paggalaw ng k ay sanhi electric current sa isang wire.

Dielectrics

Ang sitwasyon ay ganap na naiiba sa iba pang mga sangkap na may pangalan mga insulator (sa wika ng pisika - dielectrics). Sa dielectrics, ang mga atomo ay nag-vibrate tungkol sa equilibrium sa parehong paraan tulad ng sa mga metal, ngunit mayroon silang isang buong pandagdag ng mga electron.

Ang mga panlabas na electron ng mga dielectric na atom ay malakas na nakagapos sa kanilang mga atomo at hindi ito napakadaling paghiwalayin ang mga ito. Upang gawin ito, kailangan mong makabuluhang taasan ang temperatura ng dielectric o isailalim ito sa ilang uri ng matinding radiation na maaaring mag-alis ng mga electron mula sa mga atomo. Sa ordinaryong estado, walang mga conduction electron sa isang dielectric at ang mga dielectric ay hindi nagdadala ng kasalukuyang.

Karamihan sa mga dielectric ay hindi atomic ngunit molekular na kristal o likido. Nangangahulugan ito na ang mga site ng sala-sala ay hindi mga atomo, ngunit mga molekula.

Maraming mga molekula ang binubuo ng dalawang grupo ng mga atomo o dalawang atomo lamang, ang isa ay positibo sa kuryente at ang isa pang negatibo (ito ay tinatawag na mga molekulang polar). Halimbawa, sa isang molekula ng tubig, ang parehong mga atomo ng hydrogen ay ang positibong bahagi, at ang atom ng oxygen, kung saan ang mga electron ng mga atomo ng hydrogen ay umiikot sa halos lahat ng oras, ay negatibo.

Tinatawag na dipole ang dalawang singil na magkapareho ang magnitude ngunit magkasalungat sa sign na matatagpuan sa napakaliit na distansya sa isa't isa. Ang mga polar molecule ay mga halimbawa ng dipoles.

Kung ang mga molekula ay hindi binubuo ng magkasalungat na sisingilin na mga ion (sisingilin na mga atomo), iyon ay, hindi sila polar at hindi kumakatawan sa mga dipoles, kung gayon sila ay nagiging mga dipoles sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field.

Ang patlang ng kuryente ay kumukuha ng mga positibong singil, na kasama sa komposisyon ng isang molekula (halimbawa, isang nucleus), sa isang direksyon, at mga negatibong singil sa isa pa at, itinutulak ang mga ito, lumilikha ng mga dipoles.

Ang ganitong mga dipoles ay tinatawag na elastic—ang patlang ay umaabot sa kanila tulad ng isang bukal. Ang pag-uugali ng isang dielectric na may mga nonpolar na molekula ay bahagyang naiiba sa pag-uugali ng isang dielectric na may mga polar na molekula, at ipagpalagay natin na ang mga dielectric na molekula ay mga dipoles.

Kung ang isang piraso ng dielectric ay inilagay sa isang electric field, iyon ay, ang isang de-koryenteng sisingilin na katawan ay dinadala sa dielectric, na mayroong, halimbawa, isang positibong gear, ang mga negatibong ion ng mga molekula ng dipole ay maaakit sa singil na ito, at ang matatanggihan ang mga positibong ion. Samakatuwid, ang mga molekula ng dipole ay iikot. Ang pag-ikot na ito ay tinatawag na oryentasyon.

Ang oryentasyon ay hindi kumakatawan sa isang kumpletong pag-ikot ng lahat ng mga dielectric na molekula. Ang isang molekula na kinuha nang random sa isang partikular na oras ay maaaring humarap sa field, at isang average na bilang lamang ng mga molekula ang may mahinang oryentasyon sa field (ibig sabihin, mas maraming molekula ang nakaharap sa field kaysa sa kabaligtaran ng direksyon).

Ang oryentasyon ay nahahadlangan ng thermal motion—magulong vibrations ng mga molekula sa paligid ng kanilang mga posisyon sa balanse. Kung mas mababa ang temperatura, mas malakas ang oryentasyon ng mga molekula na dulot ng isang ibinigay na larangan. Sa kabilang banda, sa isang naibigay na temperatura ang oryentasyon ay natural na mas malakas ang field.

Dielectric polarization

Bilang resulta ng oryentasyon ng mga molekulang dielectric sa ibabaw na nakaharap sa positibong singil, lumilitaw ang mga negatibong dulo ng mga molekula ng dipole, at ang mga positibo sa kabaligtaran na ibabaw.

Sa ibabaw ng dielectric, mga singil sa kuryente… Ang mga singil na ito ay tinatawag na polarization charge at ang kanilang paglitaw ay tinatawag na proseso ng dielectric polarization.

Tulad ng mga sumusunod mula sa itaas, ang polariseysyon, depende sa uri ng dielectric, ay maaaring orientational (naka-orient ang mga ready-made dipole molecule) at deformation o electronic displacement polarization (mga molekula sa isang electric field ay deformed, nagiging dipoles).

Ang tanong ay maaaring lumitaw kung bakit ang mga polarization charge ay nabuo lamang sa mga ibabaw ng dielectric at hindi sa loob nito? Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na sa loob ng dielectric ang positibo at negatibong dulo ng mga molekula ng dipole ay kanselahin lamang. Ang kompensasyon ay mawawala lamang sa mga ibabaw ng isang dielectric o sa interface sa pagitan ng dalawang dielectrics, pati na rin sa isang hindi magkakatulad na dielectric.

Kung ang dielectric ay polarized, hindi ito nangangahulugan na ito ay sinisingil, iyon ay, mayroon itong kabuuang singil sa kuryente. Sa polariseysyon, ang kabuuang singil ng dielectric ay hindi nagbabago. Gayunpaman, ang isang singil ay maaaring ibigay sa isang dielectric sa pamamagitan ng paglilipat ng isang tiyak na bilang ng mga electron dito mula sa labas o pagkuha ng isang tiyak na bilang ng sarili nitong mga electron. Sa unang kaso, ang dielectric ay negatibong sisingilin, at sa pangalawa - positibong sisingilin.

Ang ganitong electrification ay maaaring gawin, halimbawa, sa pamamagitan ng sa pamamagitan ng alitan… Kung kuskusin mo ang isang basong baras sa sutla, ang baras at ang sutla ay sisingilin ng magkasalungat na singil (salamin - positibo, sutla - negatibo).Sa kasong ito, isang tiyak na bilang ng mga electron ang pipiliin mula sa glass rod (isang napakaliit na bahagi ng kabuuang bilang ng mga electron na kabilang sa lahat ng mga atom ng glass rod).

Kaya, sa mga metal at iba pang konduktor (hal. electrolytes) ang mga singil ay maaaring malayang gumagalaw sa katawan. Ang mga dielectric, sa kabilang banda, ay hindi nagsasagawa, at sa kanila ang mga singil ay hindi maaaring gumalaw ng macroscopic (ibig sabihin, malaki kumpara sa laki ng mga atomo at molekula) na mga distansya. Sa isang electric field, ang dielectric ay polarized lamang.

Dielectric polarization sa lakas ng field na hindi lalampas sa ilang mga halaga para sa isang naibigay na materyal ay proporsyonal sa lakas ng field.

Habang tumataas ang boltahe, gayunpaman, ang mga panloob na pwersa na nagbubuklod sa mga elementarya na particle ng iba't ibang mga palatandaan sa mga molekula ay nagiging hindi sapat upang hawakan ang mga particle na iyon sa mga molekula. Pagkatapos ay ilalabas ang mga electron mula sa mga molekula, ang molekula ay ionized at ang dielectric ay nawawala ang mga katangian ng insulating nito - nangyayari ang dielectric breakdown.

Ang halaga ng lakas ng electric field kung saan nagsisimula ang dielectric breakdown ay tinatawag na breakdown gradient, o lakas ng dielectric.