Kovine in dielektriki – kakšne so razlike?

Kovine

Valenčni elektroni kovine so šibko vezani na svoje atome. Ko kovinski atomi, ki kondenzirajo iz kovinskih hlapov, tvorijo tekočo ali trdno kovino, zunanji elektroni niso več vezani na posamezne atome in se lahko prosto gibljejo v telesu.

Ti elektroni so odgovorni za dobro znano pomembno prevodnost kovin in se imenujejo prevodni elektroni.

Kovinski atomi brez svojih valenčnih elektronov, to je pozitivnih ionov, tvorijo kristalno mrežo.

V kristalni mreži ioni izvajajo kaotična nihanja okoli svoje superpozicije ravnotežja, imenovane mrežna mesta. Te vibracije predstavljajo toplotno gibanje rešetke in naraščajo z naraščajočo temperaturo.

Prevodni elektroni se v odsotnosti električnega polja v kovini gibljejo naključno s hitrostjo reda tisoč kilometrov na sekundo.

Ko je na kovinsko žico priključena napetost, se prevodni elektroni, ne da bi oslabili njihovo kaotično gibanje, razmeroma počasi odnesejo z električnim poljem vzdolž žice.

S tem odstopanjem pridobijo vsi elektroni poleg kaotične hitrosti še majhno hitrost urejenega gibanja (reda npr. milimetrov na sekundo). To šibko urejeno gibanje k povzroči električni tok v žici.

Dielektriki

Povsem drugače pa je z drugimi snovmi, ki nosijo to ime izolatorji (v jeziku fizike - dielektriki). V dielektrikih atomi vibrirajo okoli ravnovesja na enak način kot v kovinah, vendar imajo poln komplement elektronov.

Zunanji elektroni dielektričnih atomov so močno vezani na svoje atome in jih ni tako enostavno ločiti. Če želite to narediti, morate bistveno povečati temperaturo dielektrika ali ga izpostaviti nekemu intenzivnemu sevanju, ki lahko odvzame elektrone iz atomov. V običajnem stanju v dielektriku ni prevodnih elektronov in dielektriki ne prenašajo toka.

Večina dielektrikov ni atomskih, temveč molekularnih kristalov ali tekočin. To pomeni, da mesta rešetke niso atomi, ampak molekule.

Številne molekule so sestavljene iz dveh skupin atomov ali samo dveh atomov, od katerih je eden električno pozitiven in drugi negativen (te imenujemo polarne molekule). Na primer, v molekuli vode sta oba atoma vodika pozitivni del, atom kisika, okoli katerega se večino časa vrtijo elektroni vodikovih atomov, pa je negativen.

Dva naboja enake velikosti, vendar nasprotnega predznaka, ki se nahajata na zelo majhni razdalji drug od drugega, se imenujeta dipol. Polarne molekule so primeri dipolov.

Če molekule niso sestavljene iz nasprotno nabitih ionov (nabitih atomov), to pomeni, da niso polarne in ne predstavljajo dipolov, potem pod delovanjem električnega polja postanejo dipoli.

Električno polje vleče pozitivne naboje, ki so vključeni v sestavo molekule (na primer jedra), v eno smer, negativne naboje v drugo in, ko jih potiska narazen, ustvarja dipole.

Takšni dipoli se imenujejo elastični - polje jih raztegne kot vzmet. Obnašanje dielektrika z nepolarnimi molekulami se malo razlikuje od obnašanja dielektrika s polarnimi molekulami, zato bomo domnevali, da so dielektrične molekule dipoli.

Če kos dielektrika postavimo v električno polje, to pomeni, da k dielektriku prinesemo električno nabito telo, ki ima na primer pozitivno prestavo, bo ta naboj pritegnil negativne ione dipolnih molekul in pozitivni ioni se bodo odbijali. Zato se bodo dipolne molekule vrtele. Ta rotacija se imenuje orientacija.

Orientacija ne predstavlja popolne rotacije vseh dielektričnih molekul. Molekula, vzeta naključno v določenem času, je lahko obrnjena proti polju in le povprečno število molekul ima šibko orientacijo glede na polje (tj. več molekul je obrnjenih proti polju kot v nasprotni smeri).

Orientacijo ovira toplotno gibanje – kaotično nihanje molekul okoli njihovih ravnotežnih položajev. Nižja kot je temperatura, močnejša je orientacija molekul, ki jo povzroča dano polje. Po drugi strani pa je pri dani temperaturi usmerjenost naravno močnejša kot je polje.

Dielektrična polarizacija

Zaradi orientacije dielektričnih molekul na površini, ki je obrnjena proti pozitivnemu naboju, se pojavijo negativni konci dipolnih molekul, pozitivni pa na nasprotni površini.

Na površinah dielektrika, električni naboji… Te naboje imenujemo polarizacijski naboji, njihov nastanek pa proces dielektrične polarizacije.

Kot izhaja iz zgoraj navedenega, je polarizacija, odvisno od vrste dielektrika, lahko orientacijska (pripravljene dipolne molekule so usmerjene) in deformacijska ali elektronska premaknjena polarizacija (molekule v električnem polju se deformirajo in postanejo dipoli).

Pojavi se lahko vprašanje, zakaj se polarizacijski naboji tvorijo samo na površinah dielektrika in ne znotraj njega? To je razloženo z dejstvom, da se znotraj dielektrika pozitivni in negativni konci dipolnih molekul preprosto prekličejo. Kompenzacije ne bo le na površinah dielektrika ali na meji med dvema dielektrikoma, pa tudi v nehomogenem dielektriku.

Če je dielektrik polariziran, še ne pomeni, da je nabit, to pomeni, da ima skupni električni naboj. S polarizacijo se skupni naboj dielektrika ne spremeni. Vendar pa lahko dielektriku prenesemo naboj tako, da mu od zunaj prenesemo določeno število elektronov ali vzamemo določeno število njegovih lastnih elektronov. V prvem primeru bo dielektrik negativno nabit, v drugem pa pozitivno nabit.

Takšno elektrifikacijo je mogoče proizvesti na primer z s trenjem… Če stekleno paličico drgneš po svili, bosta paličica in svila naelektreni z nasprotnimi naboji (steklo - pozitivno, svila - negativno).V tem primeru bo iz steklene palice izbrano določeno število elektronov (zelo majhen del skupnega števila elektronov, ki pripadajo vsem atomom steklene palice).

Torej, v kovinah in drugih prevodnikih (npr. elektroliti) se lahko naboji prosto gibljejo v telesu. Po drugi strani pa dielektriki ne prevajajo in se v njih naboji ne morejo premakniti na makroskopske (tj. velike v primerjavi z velikostjo atomov in molekul) razdalje. V električnem polju je dielektrik le polariziran.

Dielektrična polarizacija pri poljski jakosti, ki ne presega določenih vrednosti za dani material, je sorazmerna s poljsko jakostjo.

Z naraščanjem napetosti pa notranje sile, ki vežejo elementarne delce različnih predznakov v molekule, postanejo nezadostne, da bi te delce zadržale v molekulah. Nato se elektroni izločijo iz molekul, molekula se ionizira in dielektrik izgubi svoje izolacijske lastnosti — pride do dielektričnega preboja.

Vrednost električne poljske jakosti, pri kateri se začne preboj dielektrika, imenujemo prebojni gradient oz dielektrična trdnost.