Perché i dielettrici non conducono corrente

Per rispondere alla domanda «perché un dielettrico non conduce elettricità?» sulla comparsa e l'esistenza della corrente elettrica… E poi confrontiamo come si comportano conduttori e dielettrici in relazione alla ricerca di una risposta a questa domanda.

Attuale

La corrente elettrica è chiamata movimento ordinato, cioè diretto, di particelle cariche campo elettrico… Quindi, in primo luogo, l'esistenza di una corrente elettrica richiede la presenza di particelle cariche libere in grado di muoversi in modo diretto. In secondo luogo, è necessario un campo elettrico per guidare queste cariche. E, naturalmente, deve esserci un certo spazio in cui avviene questo movimento di particelle cariche, chiamato corrente elettrica.

Le particelle cariche libere sono abbondanti nei conduttori: nei metalli, negli elettroliti, nel plasma. In un conduttore di rame, ad esempio, questi sono elettroni liberi, in un elettrolita - ioni, ad esempio, ioni di acido solforico (idrogeno e ossido di zolfo) in una batteria al piombo, in plasma - ioni ed elettroni, sono quelli che muoversi durante una scarica elettrica in un gas ionizzato.

Metallo

Ad esempio, prendiamo due pezzi di filo di rame e usiamoli per collegare una piccola lampadina a una batteria. Cosa accadrà? La luce inizierà a brillare, il che significa che a corrente elettrica continua… Tra le estremità dei fili c'è ora una differenza di potenziale creata dalla batteria, il che significa che un campo elettrico ha iniziato ad agire all'interno del filo.

Il campo elettrico costringe gli elettroni dei gusci esterni degli atomi di rame a muoversi nella direzione del campo — da atomo ad atomo, da atomo all'atomo successivo, e così via lungo la catena, perché gli elettroni dei gusci esterni di metallo gli atomi sono molto meno fortemente legati ai nuclei rispetto agli elettroni più vicini ai nuclei delle orbite degli elettroni. Da dove era rimasto l'elettrone, un altro elettrone proviene dal terminale negativo della batteria, cioè gli elettroni si muovono liberamente lungo la catena metallica, cambiando facilmente la loro appartenenza agli atomi.

Sembra che si formino lungo il reticolo cristallino del metallo nella direzione in cui vengono spinti, cercando di accelerare, il campo elettrico (dal meno al più della sorgente EMF costante), mentre gli elettroni si aggrappano agli atomi del reticolo cristallino lungo tutto il loro cammino.

Alcuni elettroni nel corso del loro movimento si rompono in atomi (a causa del fatto che il movimento termico fa vibrare l'intera struttura degli atomi insieme agli elettroni), a seguito della quale il conduttore si riscalda: ecco come si manifesta resistenza elettrica dei fili.

Elettroni liberi in un metallo

Lo studio dei metalli mediante raggi X, così come altri metodi, ha dimostrato che i metalli hanno una struttura cristallina.Ciò significa che sono costituiti da atomi o molecole disposti in un certo modo nello spazio (in ordine, ioni) che creano la corretta alternanza in tutte e tre le dimensioni.

In queste condizioni, gli atomi degli elementi si trovano così vicini l'uno all'altro che i loro elettroni esterni appartengono a questo atomo nella stessa misura di quelli vicini, per cui il grado di legame dell'elettrone a ciascun singolo atomo è praticamente assente.

A seconda del tipo di metallo, almeno uno degli elettroni di ciascun atomo, a volte due elettroni, e in alcuni casi anche tre elettroni sono liberi nei loro movimenti nel metallo, sotto l'influenza di forze imposte dall'esterno.

Dielettrico

Cosa c'è in un dielettrico? Se invece di fili di rame prendi plastica, carta o qualcosa di simile? Non ci sarà elettricità, non si accenderà nessuna luce. Perché? La struttura del dielettrico è tale da essere costituita da molecole neutre che, anche sotto l'azione di un campo elettrico, non rilasciano i loro elettroni in un movimento ordinato - semplicemente non possono. Non ci sono elettroni di conduzione libera in un dielettrico, come in un metallo.

Gli elettroni esterni nell'atomo di qualsiasi molecola dielettrica sono strettamente imballati, inoltre, partecipano ai legami interni della molecola, mentre le molecole di tale sostanza sono generalmente elettricamente neutre. Tutto ciò che le molecole dielettriche possono fare è polarizzare.

Sotto l'azione di un campo elettrico applicato ad esse, le cariche elettriche associate di ciascuna molecola si sposteranno semplicemente leggermente dalla posizione di equilibrio, mentre ciascuna particella carica rimarrà nel proprio atomo. Questo fenomeno è chiamato spostamento di carica polarizzazione dielettrica.

Per effetto della polarizzazione, sulla superficie di un dielettrico così polarizzato da un campo elettrico ad esso applicato, compaiono delle cariche che tendono con il loro campo elettrico a ridurre il campo elettrico esterno che ha causato la polarizzazione. Viene chiamata la capacità di un dielettrico di indebolire un campo elettrico esterno in questo modo costante dielettrica.