Fémek és dielektrikumok – mi a különbség?
Fémek
A fém vegyértékelektronjai gyengén kötődnek atomjaikhoz. Amikor a fémgőzökből kondenzálódó fématomok folyékony vagy szilárd fémet képeznek, a külső elektronok már nem kötődnek az egyes atomokhoz, és szabadon mozoghatnak a testben.
Ezek az elektronok felelősek a fémek jól ismert jelentős vezetőképességéért, és ezeket vezetési elektronoknak nevezik.
A vegyértékelektronjaiktól megfosztott fématomok, azaz pozitív ionok alkotják a kristályrácsot.
A kristályrácsban az ionok kaotikus oszcillációkat hajtanak végre az egyensúlyi szuperpozíciójuk körül, ezeket rácshelyeknek nevezzük. Ezek a rezgések a rács termikus mozgását jelentik, és a hőmérséklet emelkedésével nőnek.
A vezetési elektronok elektromos tér hiányában a fémben véletlenszerűen mozognak, másodpercenként több ezer kilométeres sebességgel.
Ha egy fémhuzalra feszültséget kapcsolunk, a vezetési elektronok, anélkül, hogy gyengítenék kaotikus mozgásukat, viszonylag lassan elszállítják a vezeték mentén elhelyezkedő elektromos mezőt.
Ezzel az eltéréssel az összes elektron a kaotikus sebesség mellett egy kis rendezett mozgási sebességre is szert tesz (például milliméter/s nagyságrendű). Ez a gyengén rendezett mozgás k okozza elektromos áram egy vezetékben.
Dielektrikumok
Teljesen más a helyzet más, a nevet viselő anyagokkal szigetelők (a fizika nyelvén – dielektrikumok). A dielektrikumokban az atomok ugyanúgy rezegnek az egyensúly körül, mint a fémekben, de teljes elektronkomplemensük van.
A dielektromos atomok külső elektronjai erősen kötődnek atomjaikhoz, és nem olyan egyszerű szétválasztani őket. Ehhez jelentősen meg kell növelni a dielektrikum hőmérsékletét, vagy ki kell vetni valamilyen intenzív sugárzásnak, amely el tudja távolítani az elektronokat az atomoktól. Normál állapotban a dielektrikumban nincsenek vezetési elektronok, és a dielektrikumok nem hordoznak áramot.
A legtöbb dielektrikum nem atomi, hanem molekuláris kristály vagy folyadék. Ez azt jelenti, hogy a rácshelyek nem atomok, hanem molekulák.
Sok molekula két atomcsoportból vagy csak két atomból áll, amelyek közül az egyik elektromosan pozitív, a másik negatív (ezeket poláris molekuláknak nevezzük). Például egy vízmolekulában mindkét hidrogénatom a pozitív rész, az oxigénatom pedig, amely körül legtöbbször a hidrogénatomok elektronjai keringenek, negatív.
Két egyenlő nagyságú, de ellentétes előjelű töltést, amelyek egymástól nagyon kis távolságra helyezkednek el, dipólusnak nevezzük. A poláris molekulák a dipólusok példái.
Ha a molekulák nem ellentétes töltésű ionokból (töltött atomokból) állnak, vagyis nem polárisak és nem dipólusokat képviselnek, akkor elektromos tér hatására dipólusokká válnak.
Az elektromos tér a pozitív töltéseket, amelyek egy molekula (például egy atommag) összetételében szerepelnek, az egyik irányba, a negatív töltéseket a másik irányba húzza, és ezeket szétnyomva dipólusokat hoz létre.
Az ilyen dipólusokat rugalmasnak nevezik – a mező rugóként feszíti ki őket. A nem poláris molekulákkal rendelkező dielektrikumok viselkedése alig különbözik a poláris molekulákkal rendelkező dielektrikumok viselkedésétől, és feltételezzük, hogy a dielektrikum molekulák dipólusok.
Ha egy dielektrikumdarabot elektromos térbe helyezünk, azaz egy elektromosan töltött testet viszünk a dielektrikumhoz, amelynek például pozitív áttétele van, akkor a dipólusmolekulák negatív ionjai ehhez a töltéshez vonzódnak, és a a pozitív ionok taszításra kerülnek. Ezért a dipólmolekulák forogni fognak. Ezt a forgatást orientációnak nevezzük.
Az orientáció nem jelenti az összes dielektromos molekula teljes forgását. Egy adott időpontban véletlenszerűen vett molekula a mező felé fordulhat, és csak átlagos számú molekulának van gyenge orientációja a mező felé (azaz több molekula néz a mező felé, mint az ellenkező irányba).
A tájékozódást akadályozza a hőmozgás – a molekulák egyensúlyi helyzetük körüli kaotikus rezgései. Minél alacsonyabb a hőmérséklet, annál erősebb az adott mező által okozott molekulák orientációja. Másrészt egy adott hőmérsékleten az orientáció természetesen annál erősebb a mező.
Dielektromos polarizáció
A dielektromos molekulák pozitív töltés felőli felületen történő orientációja következtében a dipólusmolekulák negatív végei, az ellenkező felületen a pozitívak jelennek meg.
A dielektrikum felületén, elektromos töltések… Ezeket a töltéseket polarizációs töltéseknek, fellépésüket pedig dielektromos polarizációs folyamatnak nevezzük.
A fentiekből következően a polarizáció a dielektrikum típusától függően lehet orientációs (a kész dipólusmolekulák orientált) és deformációs vagy elektronikus elmozdulásos polarizáció (az elektromos térben lévő molekulák deformálódnak, dipólusokká válnak).
Felmerülhet a kérdés, hogy miért csak a dielektrikum felületén képződnek polarizációs töltések, és miért nem a dielektrikum belsejében? Ez azzal magyarázható, hogy a dielektrikum belsejében a dipólusmolekulák pozitív és negatív végei egyszerűen kitörnek. A kompenzáció csak a dielektrikum felületén vagy két dielektrikum közötti határfelületen, valamint inhomogén dielektrikumban hiányzik.
Ha a dielektrikum polarizált, az nem jelenti azt, hogy fel van töltve, vagyis teljes elektromos töltése van. Polarizáció esetén a dielektrikum teljes töltése nem változik. A dielektrikumnak azonban töltést lehet adni úgy, hogy bizonyos számú elektront kívülről viszünk át rá, vagy bizonyos számú saját elektront veszünk. Az első esetben a dielektrikum negatív töltésű lesz, a másodikban pedig pozitív töltésű.
Ilyen villamosítás előállítható például azáltal súrlódás által… Ha egy üvegrudat dörzsöl a selyemre, akkor a rúd és a selyem ellentétes töltésekkel (üveg - pozitív, selyem - negatív) töltődik fel.Ebben az esetben bizonyos számú elektront választanak ki az üvegrúdból (az üvegrúd összes atomjához tartozó elektronok számának nagyon kis része).
Így, fémekben és más vezetékekben (pl. elektrolitok) töltések szabadon mozoghatnak a szervezetben. A dielektrikumok viszont nem vezetnek, és bennük a töltések nem tudnak makroszkopikus (azaz az atomok és molekulák méretéhez képest nagy) távolságokat elmozdítani. Elektromos térben a dielektrikum csak polarizált.
Dielektromos polarizáció olyan térerősségnél, amely nem haladja meg az adott anyag bizonyos értékeit, arányos a térerősséggel.
A feszültség növekedésével azonban a különböző jelű elemi részecskéket a molekulákban megkötő belső erők nem lesznek elegendőek ahhoz, hogy ezeket a részecskéket a molekulákban tartsák. Ekkor az elektronok kilökődnek a molekulákból, a molekula ionizálódik, és a dielektrikum elveszti szigetelő tulajdonságait. dielektromos lebomlás következik be.
Az elektromos térerősség azon értékét, amelynél a dielektrikum lebomlása megkezdődik, letörési gradiensnek, ill dielektromos szilárdság.