Miért nem vezetnek áramot a dielektrikumok?
A kérdés megválaszolásához "miért nem vezet egy dielektrikum az elektromosságot?" az elektromos áram megjelenéséről és létezéséről… És akkor hasonlítsuk össze, hogyan viselkednek a vezetők és a dielektrikumok, ha választ találnak erre a kérdésre.
Jelenlegi
Az elektromos áramot rendezettnek, vagyis a töltött részecskék irányított mozgásának nevezzük elektromos mező[…] Így először is az elektromos áram létezéséhez olyan szabad töltésű részecskék jelenléte szükséges, amelyek képesek irányítottan mozogni. Másodszor, elektromos térre van szükség ezeknek a töltéseknek a meghajtásához. És természetesen kell lennie egy bizonyos térnek, amelyben a töltött részecskéknek ez az elektromos áramnak nevezett mozgása megtörténik.
A szabad töltésű részecskék bőségesek a vezetőkben: fémekben, elektrolitokban, plazmában. A rézvezetőben például ezek szabad elektronok, elektrolitban - ionok, például kénsavionok (hidrogén és kén-oxid) ólom-savas akkumulátorban, plazmában - ionok és elektronok, ezek azok, amelyek ionizált gázban elektromos kisülés közben mozognak.
Fém
Például vegyünk két darab rézhuzalt, és csatlakoztassunk velük egy kis izzót az akkumulátorhoz. Mi fog történni? A lámpa világítani kezd, ami azt jelenti, hogy a egyenáramú elektromos áram… A vezetékek végei között most az akkumulátor által létrehozott potenciálkülönbség van, ami azt jelenti, hogy a vezeték belsejében elektromos mező kezdett hatni.
Az elektromos tér arra kényszeríti a rézatomok külső héjának elektronjait, hogy a mező irányába mozogjanak - atomról atomra, atomról a következő atomra, és így tovább a lánc mentén, mivel a fém külső héjának elektronjai az atomok sokkal kevésbé erősen kötődnek az atommagokhoz, mint az elektronpályák magjaihoz közelebbi elektronok. Onnan, ahol az elektron maradt, az akkumulátor negatív pólusáról jön egy másik elektron, vagyis az elektronok szabadon mozognak a fémlánc mentén, könnyen megváltoztatva az atomokhoz való tartozásukat.
Úgy tűnik, hogy a fém kristályrácsa mentén képződnek abban az irányban, amerre tolják őket, és megpróbálják felgyorsítani az elektromos mezőt (az állandó EMF-forrás mínuszától a pluszig), miközben az elektronok a kristályrács atomjaihoz tapadnak. végig az útjukon.
Egyes elektronok mozgásuk során atomokká bomlanak (ami miatt a hőmozgás az atomok teljes szerkezetét az elektronokkal együtt rezgésbe hozza), aminek következtében a vezető felmelegszik - ez így nyilvánul meg. a vezetékek elektromos ellenállása.
Szabad elektronok egy fémben
A fémek röntgensugárzással, valamint más módszerekkel végzett tanulmányozása kimutatta, hogy a fémek kristályos szerkezetűek.Ez azt jelenti, hogy a térben meghatározott módon elhelyezkedő atomokból vagy molekulákból állnak (sorrendben, ionokban), amelyek mindhárom dimenzióban megfelelő váltakozást hoznak létre.
Ilyen körülmények között az elemek atomjai olyan közel helyezkednek el egymáshoz, hogy külső elektronjaik ugyanannyira tartoznak ehhez az atomhoz, mint a szomszédosoké, aminek következtében az elektron kötődési foka az egyes atomokhoz gyakorlatilag hiányzik.
A fém típusától függően minden atom legalább egy elektronja, esetenként két elektron, sőt esetenként három elektron is szabad a fémben való mozgását tekintve, külső erők hatására.
Dielektromos
Mi van a dielektrikumban? Ha a rézhuzalok helyett műanyagot, papírt vagy valami hasonlót veszel? Nem lesz áram, nem világít. Miért? A dielektrikum szerkezete olyan, hogy semleges molekulákból áll, amelyek még elektromos tér hatására sem engedik ki elektronjaikat rendezett mozgásban – egyszerűen nem. A dielektrikumban nincsenek szabad vezetési elektronok, mint egy fémben.
Bármely dielektromos molekula atomjában a külső elektronok szorosan egymásra vannak rakva, ráadásul részt vesznek a molekula belső kötéseiben, míg egy ilyen anyag molekulái általában elektromosan semlegesek. A dielektromos molekulák csak polarizálnak.
A rájuk ható elektromos tér hatására az egyes molekulák kapcsolódó elektromos töltései egyszerűen kismértékben elmozdulnak az egyensúlyi helyzetből, miközben minden töltött részecske a saját atomjában marad. Ezt a jelenséget töltéselmozdulásnak nevezzük dielektromos polarizáció.
A polarizáció következtében az így polarizált dielektrikum felületén a rá ható elektromos térrel töltések jelennek meg, amelyek a polarizációt okozó külső elektromos teret elektromos terükkel csökkentik. A dielektrikum azon képességét, hogy ily módon gyengítse a külső elektromos teret, ún dielektromos állandó.