Metalli e dielettrici: quali sono le differenze?

Metalli

Gli elettroni di valenza di un metallo sono debolmente legati ai loro atomi. Quando gli atomi di metallo condensandosi dai vapori metallici formano un metallo liquido o solido, gli elettroni esterni non sono più legati ai singoli atomi e possono muoversi liberamente nel corpo.

Questi elettroni sono responsabili della ben nota conducibilità significativa dei metalli e sono chiamati elettroni di conduzione.

Gli atomi di metallo privati ​​dei loro elettroni di valenza, cioè degli ioni positivi, costituiscono il reticolo cristallino.

Nel reticolo cristallino, gli ioni eseguono oscillazioni caotiche attorno alla loro sovrapposizione di equilibrio, chiamate siti reticolari. Queste vibrazioni rappresentano il moto termico del reticolo e aumentano con l'aumentare della temperatura.

Gli elettroni di conduzione in assenza di un campo elettrico nel metallo si muovono in modo casuale a velocità dell'ordine di migliaia di chilometri al secondo.

Quando si applica una tensione ad un filo metallico, gli elettroni di conduzione, senza indebolire il loro moto caotico, vengono trascinati via relativamente lentamente da un campo elettrico lungo il filo.

Con questa deviazione, tutti gli elettroni acquisiscono, oltre alla velocità caotica, una piccola velocità di movimento ordinato (dell'ordine, ad esempio, dei millimetri al secondo). Questo movimento debolmente ordinato di k provoca corrente elettrica in un filo.

Dielettrici

La situazione è completamente diversa con altre sostanze che portano il nome isolanti (nel linguaggio della fisica — dielettrici). Nei dielettrici, gli atomi vibrano attorno all'equilibrio allo stesso modo dei metalli, ma hanno un complemento completo di elettroni.

Gli elettroni esterni degli atomi dielettrici sono fortemente legati ai loro atomi e non è così facile separarli. Per fare ciò, è necessario aumentare in modo significativo la temperatura del dielettrico o sottoporlo a una sorta di radiazione intensa che può strappare gli elettroni dagli atomi. Nello stato ordinario, non ci sono elettroni di conduzione in un dielettrico e i dielettrici non portano corrente.

La maggior parte dei dielettrici non sono cristalli atomici ma molecolari o liquidi. Ciò significa che i siti del reticolo non sono atomi, ma molecole.

Molte molecole sono costituite da due gruppi di atomi o solo da due atomi, uno dei quali è elettricamente positivo e l'altro negativo (queste sono chiamate molecole polari). Ad esempio, in una molecola d'acqua, entrambi gli atomi di idrogeno sono la parte positiva e l'atomo di ossigeno, attorno al quale ruotano per la maggior parte del tempo gli elettroni degli atomi di idrogeno, è negativo.

Due cariche di uguale grandezza ma di segno opposto situate a una distanza molto piccola l'una dall'altra sono chiamate dipolo. Le molecole polari sono esempi di dipoli.

Se le molecole non sono costituite da ioni con carica opposta (atomi carichi), cioè non sono polari e non rappresentano dipoli, allora diventano dipoli sotto l'azione di un campo elettrico.

Il campo elettrico attira le cariche positive, che sono incluse nella composizione di una molecola (ad esempio un nucleo), in una direzione, e le cariche negative nell'altra e, allontanandole, crea dipoli.

Tali dipoli sono chiamati elastici: il campo li tende come una molla. Il comportamento di un dielettrico con molecole non polari differisce poco dal comportamento di un dielettrico con molecole polari, e assumeremo che le molecole dielettriche siano dipoli.

Se un pezzo di dielettrico viene posto in un campo elettrico, cioè un corpo elettricamente carico viene portato al dielettrico, che ha, ad esempio, un ingranaggio positivo, gli ioni negativi delle molecole di dipolo saranno attratti da questa carica, e il gli ioni positivi saranno respinti. Pertanto, le molecole di dipolo ruoteranno. Questa rotazione è chiamata orientamento.

L'orientamento non rappresenta una rotazione completa di tutte le molecole dielettriche. Una molecola presa a caso in un dato momento può finire per essere rivolta verso il campo, e solo un numero medio di molecole ha un debole orientamento verso il campo (cioè, più molecole sono rivolte verso il campo che nella direzione opposta).

L'orientamento è ostacolato dal movimento termico: vibrazioni caotiche delle molecole attorno alle loro posizioni di equilibrio. Più bassa è la temperatura, più forte è l'orientamento delle molecole causato da un dato campo. D'altra parte, a una data temperatura l'orientamento è naturalmente più forte è il campo.

Polarizzazione dielettrica

Come risultato dell'orientamento delle molecole dielettriche sulla superficie rivolta verso la carica positiva, compaiono le estremità negative delle molecole dipolari e quelle positive sulla superficie opposta.

Sulle superfici del dielettrico, cariche elettriche… Queste cariche sono chiamate cariche di polarizzazione e il loro verificarsi è chiamato processo di polarizzazione dielettrica.

Come risulta da quanto sopra, la polarizzazione, a seconda del tipo di dielettrico, può essere orientativa (le molecole di dipolo già pronte sono orientate) e deformazione o polarizzazione di spostamento elettronico (le molecole in un campo elettrico si deformano, diventando dipoli).

Potrebbe sorgere la domanda perché le cariche di polarizzazione si formano solo sulle superfici del dielettrico e non al suo interno? Ciò è spiegato dal fatto che all'interno del dielettrico le estremità positive e negative delle molecole del dipolo si annullano semplicemente. La compensazione sarà assente solo alle superfici di un dielettrico o all'interfaccia tra due dielettrici, così come in un dielettrico disomogeneo.

Se il dielettrico è polarizzato, non significa che è carico, cioè ha una carica elettrica totale. Con la polarizzazione, la carica totale del dielettrico non cambia. Tuttavia, una carica può essere impartita a un dielettrico trasferendogli un certo numero di elettroni dall'esterno o prelevando un certo numero dei suoi stessi elettroni. Nel primo caso, il dielettrico sarà caricato negativamente e nel secondo - caricato positivamente.

Tale elettrificazione può essere prodotta, ad esempio, da per attrito… Se strofini una bacchetta di vetro sulla seta, allora la bacchetta e la seta saranno cariche di cariche opposte (vetro - positivo, seta - negativo).In questo caso, dalla bacchetta di vetro verrà selezionato un certo numero di elettroni (una piccolissima frazione del numero totale di elettroni appartenenti a tutti gli atomi della bacchetta di vetro).

COSÌ, nei metalli e in altri conduttori (ad es. elettroliti) le cariche possono muoversi liberamente nel corpo. I dielettrici, invece, non conducono, e in essi le cariche non possono percorrere distanze macroscopiche (cioè grandi rispetto alle dimensioni di atomi e molecole). In un campo elettrico, il dielettrico è solo polarizzato.

Polarizzazione dielettrica a un'intensità di campo che non supera determinati valori per un dato materiale è proporzionale all'intensità di campo.

All'aumentare della tensione, tuttavia, le forze interne che legano particelle elementari di segno diverso nelle molecole diventano insufficienti a trattenere quelle particelle nelle molecole. Quindi gli elettroni vengono espulsi dalle molecole, la molecola viene ionizzata e il dielettrico perde le sue proprietà isolanti — si verifica un guasto dielettrico.

Il valore dell'intensità del campo elettrico al quale inizia la rottura dielettrica è chiamato gradiente di rottura o rigidità dielettrica.