מתכות ודיאלקטריות - מה ההבדלים?

מתכות

האלקטרונים הערכיים של מתכת קשורים בצורה חלשה לאטומים שלהם. כאשר אטומי מתכת המתעבים מאדי מתכת יוצרים מתכת נוזלית או מוצקה, האלקטרונים החיצוניים אינם קשורים עוד לאטומים בודדים ויכולים לנוע בחופשיות בגוף.

אלקטרונים אלו אחראים למוליכות המשמעותית הידועה של מתכות והם נקראים אלקטרוני הולכה.

אטומי מתכת שהופשטו מאלקטרוני הערכיות שלהם, כלומר יונים חיוביים, מרכיבים את סריג הגביש.

בסריג הגביש, יונים מבצעים תנודות כאוטיות סביב הסופרפוזיציה של שיווי המשקל שלהם, הנקראים אתרי סריג. תנודות אלו מייצגות את התנועה התרמית של הסריג ומתגברות עם עליית הטמפרטורה.

אלקטרוני הולכה בהיעדר שדה חשמלי במתכת נעים באקראי במהירויות בסדר גודל של אלפי קילומטרים לשנייה.

כאשר מופעל מתח על חוט מתכת, אלקטרוני ההולכה, מבלי להחליש את תנועתם הכאוטית, נסחפים לאט יחסית על ידי שדה חשמלי לאורך החוט.

עם סטייה זו, כל האלקטרונים רוכשים, בנוסף למהירות הכאוטית, מהירות קטנה של תנועה מסודרת (בסדר גודל של, למשל, מילימטרים לשנייה). תנועה מסודרת חלשה של k סיבות זרם חשמלי בחוט.

דיאלקטריות

המצב שונה לחלוטין עם חומרים אחרים הנושאים את השם מבודדים (בלשון הפיזיקה - דיאלקטרי). בדיאלקטיקה, האטומים רוטטים סביב שיווי משקל באותו אופן כמו במתכות, אבל יש להם השלמה מלאה של אלקטרונים.

האלקטרונים החיצוניים של אטומים דיאלקטריים קשורים בחוזקה לאטומים שלהם ולא כל כך קל להפריד ביניהם. כדי לעשות זאת, אתה צריך להעלות באופן משמעותי את הטמפרטורה של הדיאלקטרי או להכפיף אותו לסוג של קרינה עזה שיכולה להסיר אלקטרונים מאטומים. במצב הרגיל, אין אלקטרונים מוליכים בדיאלקטרי ודיאלקטריים אינם נושאים זרם.

רוב הדיאלקטריים אינם אטומיים אלא גבישים או נוזלים מולקולריים. המשמעות היא שאתרי הסריג אינם אטומים, אלא מולקולות.

מולקולות רבות מורכבות משתי קבוצות של אטומים או רק משני אטומים, שאחד מהם חיובי חשמלי והשני שלילי (אלה נקראות מולקולות קוטביות). לדוגמה, במולקולת מים, שני אטומי המימן הם החלק החיובי, ואטום החמצן, שסביבו מסתובבים האלקטרונים של אטומי המימן רוב הזמן, הם שליליים.

שני מטענים בגודל שווה אך מנוגדים בסימן הממוקמים במרחק קטן מאוד זה מזה נקראים דיפול. מולקולות קוטביות הן דוגמאות לדיפולים.

אם המולקולות אינן מורכבות מיונים בעלי מטען הפוך (אטומים טעונים), כלומר אינן קוטביות ואינן מייצגות דיפולים, אז הן הופכות לדיפולים בפעולת שדה חשמלי.

השדה החשמלי מושך מטענים חיוביים, הנכללים בהרכבה של מולקולה (לדוגמה, גרעין), לכיוון אחד, ומטענים שליליים בכיוון השני, ויוצר דיפולים בדחיקתם.

דיפולים כאלה נקראים אלסטיים - השדה מותח אותם כמו קפיץ. ההתנהגות של דיאלקטרי עם מולקולות לא קוטביות שונה מעט מהתנהגותו של דיאלקטרי עם מולקולות קוטביות, ונניח שהמולקולות הדיאלקטריות הן דיפולריות.

אם מניחים חתיכת דיאלקטרי בשדה חשמלי, כלומר מביאים לדיאלקטרי גוף טעון חשמלי, שיש לו, למשל, הילוך חיובי, היונים השליליים של מולקולות דיפול יימשכו למטען זה, וה יונים חיוביים יידחו. לכן, מולקולות הדיפול יסתובבו. סיבוב זה נקרא אוריינטציה.

הכיוון אינו מייצג סיבוב שלם של כל המולקולות הדיאלקטריות. מולקולה שנלקחה באקראי בזמן נתון עלולה בסופו של דבר לפנות לשדה, ורק למספר ממוצע של מולקולות יש כיוון חלש לשדה (כלומר, יותר מולקולות פונות לשדה מאשר בכיוון ההפוך).

ההתמצאות מעוכבת על ידי תנועה תרמית - תנודות כאוטיות של מולקולות סביב עמדות שיווי המשקל שלהן. ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, כך הכיוון של המולקולות הנגרמת על ידי שדה נתון חזק יותר. מצד שני, בטמפרטורה נתונה האוריינטציה היא באופן טבעי ככל שהשדה חזק יותר.

קיטוב דיאלקטרי

כתוצאה מכיוון המולקולות הדיאלקטריות על פני השטח הפונה למטען החיובי, מופיעים הקצוות השליליים של מולקולות הדיפול, והחיוביים על המשטח הנגדי.

על פני השטח של הדיאלקטרי, מטענים חשמליים... מטענים אלו נקראים מטענים קיטובים והתרחשותם נקראת תהליך של קיטוב דיאלקטרי.

כדלקמן מהאמור לעיל, קיטוב, בהתאם לסוג הדיאלקטרי, יכול להיות אוריינטציונלי (מולקולות דיפול מוכנות מכוונות) ודפורמציה או קיטוב תזוזה אלקטרוני (מולקולות בשדה חשמלי מעוותות והופכות לדיפול).

עלולה להתעורר השאלה מדוע מטענים קיטובים נוצרים רק על פני השטח של הדיאלקטרי ולא בתוכו? זה מוסבר על ידי העובדה שבתוך הדיאלקטרי הקצוות החיוביים והשליליים של מולקולות הדיפול פשוט מתבטלים. פיצוי ייעדר רק על פני השטח של דיאלקטרי או בממשק בין שני דיאלקטריים, כמו גם בדיאלקטרי לא הומגני.

אם הדיאלקטרי מקוטב, זה לא אומר שהוא טעון, כלומר יש לו מטען חשמלי כולל. עם קיטוב, המטען הכולל של הדיאלקטרי אינו משתנה. עם זאת, ניתן להקנות מטען לדיאלקטרי על ידי העברת מספר מסוים של אלקטרונים אליו מבחוץ או לקיחת מספר מסוים של אלקטרונים משלו. במקרה הראשון, הדיאלקטרי יהיה טעון שלילי, ובשני - טעון חיובי.

ניתן לייצר חשמול כזה, למשל, על ידי על ידי חיכוך... אם תשפשפו מוט זכוכית על משי, אז המוט והמשי יהיו טעונים במטענים הפוכים (זכוכית - חיובית, משי - שלילי).במקרה זה, ייבחר מספר מסוים של אלקטרונים ממוט הזכוכית (חלק קטן מאוד מהמספר הכולל של אלקטרונים השייכים לכל האטומים של מוט הזכוכית).

כך, במתכות ובמוליכים אחרים מטענים (למשל אלקטרוליטים) יכולים לנוע בחופשיות בגוף. דיאלקטריים, לעומת זאת, אינם מוליכים, ובהם מטענים אינם יכולים לנוע למרחקים מקרוסקופיים (כלומר, גדולים בהשוואה לגודל של אטומים ומולקולות). בשדה חשמלי, הדיאלקטרי מקוטב רק.

קיטוב דיאלקטרי בחוזק שדה שאינו עולה על ערכים מסוימים עבור חומר נתון הוא פרופורציונלי לחוזק השדה.

עם זאת, ככל שהמתח עולה, הכוחות הפנימיים הקושרים חלקיקים אלמנטריים בעלי סימנים שונים במולקולות הופכים לא מספיקים כדי להחזיק את אותם חלקיקים במולקולות. ואז האלקטרונים נפלטים מהמולקולות, המולקולה מיוננת והדיאלקטרי מאבד את תכונות הבידוד שלו - מתרחשת התמוטטות דיאלקטרית.

הערך של עוצמת השדה החשמלי שבו מתחיל התמוטטות הדיאלקטרי נקרא שיפוע הפירוק, או חוזק דיאלקטרי.