Tại sao chất điện môi không dẫn điện

Để trả lời câu hỏi «tại sao chất điện môi không dẫn điện?» về sự xuất hiện và tồn tại của dòng điện… Và sau đó hãy so sánh cách hoạt động của chất dẫn điện và chất điện môi liên quan đến việc tìm ra câu trả lời cho câu hỏi này.

Hiện hành

Dòng điện gọi là có trật tự, tức là có hướng, chuyển động của các hạt mang điện điện trường… Như vậy, trước tiên, sự tồn tại của dòng điện đòi hỏi phải có sự hiện diện của các hạt mang điện tự do có khả năng chuyển động có hướng. Thứ hai, cần có một điện trường để điều khiển các điện tích này. Và, tất nhiên, phải có một không gian nhất định, trong đó diễn ra chuyển động này của các hạt tích điện, gọi là dòng điện.

Các hạt mang điện tự do có nhiều trong chất dẫn điện: trong kim loại, trong chất điện phân, trong plasma. Ví dụ, trong một dây dẫn bằng đồng, đây là các electron tự do, trong chất điện phân - các ion, chẳng hạn như các ion axit sunfuric (hydro và oxit lưu huỳnh) trong pin axit-chì, trong plasma - các ion và electron, chúng là những chất di chuyển trong quá trình phóng điện trong chất khí bị ion hóa.

Kim loại

Ví dụ: chúng ta hãy lấy hai đoạn dây đồng và sử dụng chúng để nối một bóng đèn nhỏ với pin. Chuyện gì sẽ xảy ra? Đèn sẽ bắt đầu phát sáng, điều đó có nghĩa là một dòng điện trực tiếp… Giữa các đầu của dây hiện có một hiệu điện thế do pin tạo ra, điều đó có nghĩa là một điện trường đã bắt đầu hoạt động bên trong dây.

Điện trường buộc các electron của lớp vỏ ngoài của các nguyên tử đồng di chuyển theo hướng của trường - từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, từ nguyên tử này sang nguyên tử tiếp theo, v.v. dọc theo chuỗi, bởi vì các electron của lớp vỏ ngoài của kim loại các nguyên tử liên kết với hạt nhân ít mạnh hơn nhiều so với các electron gần hạt nhân hơn trên các quỹ đạo của electron. Từ nơi electron còn lại, một electron khác đến từ cực âm của pin, tức là các electron di chuyển tự do dọc theo chuỗi kim loại, dễ dàng thay đổi thuộc tính của chúng thành nguyên tử.

Chúng dường như hình thành dọc theo mạng tinh thể của kim loại theo hướng chúng bị đẩy, cố gắng tăng tốc, điện trường (từ âm đến dương của nguồn EMF không đổi), trong khi các electron bám vào các nguyên tử của mạng tinh thể tất cả dọc theo con đường của họ.

Một số electron trong quá trình chuyển động của chúng bị vỡ thành các nguyên tử (do chuyển động nhiệt làm rung chuyển toàn bộ cấu trúc của nguyên tử cùng với các electron), do đó dây dẫn nóng lên - đây là cách nó thể hiện điện trở của dây dẫn.

Electron tự do trong kim loại

Việc nghiên cứu kim loại bằng tia X, cũng như các phương pháp khác, đã chỉ ra rằng kim loại có cấu trúc tinh thể.Điều này có nghĩa là chúng bao gồm các nguyên tử hoặc phân tử được sắp xếp theo một cách nhất định trong không gian (theo thứ tự, các ion) tạo ra sự xen kẽ chính xác trong cả ba chiều.

Trong những điều kiện này, các nguyên tử của các nguyên tố nằm rất gần nhau đến mức các electron bên ngoài của chúng thuộc về nguyên tử này ở cùng mức độ với các nguyên tử lân cận, do đó mức độ liên kết của electron với từng nguyên tử riêng lẻ thực tế vắng mặt.

Tùy thuộc vào loại kim loại, ít nhất một trong số các electron của mỗi nguyên tử, đôi khi là hai electron và trong một số trường hợp, thậm chí ba electron tự do chuyển động trong kim loại dưới tác động của các lực bên ngoài.

điện môi

Có gì trong một điện môi? Nếu thay vì dây đồng, bạn lấy nhựa, giấy hay thứ gì đó tương tự? Sẽ không có điện, không có ánh sáng. Tại sao? Cấu trúc của chất điện môi sao cho nó bao gồm các phân tử trung tính, ngay cả dưới tác động của điện trường, không giải phóng các electron của chúng theo chuyển động có trật tự - đơn giản là chúng không thể. Không có các electron dẫn tự do trong chất điện môi, như trong kim loại.

Các electron bên ngoài trong nguyên tử của bất kỳ phân tử điện môi nào được đóng gói chặt chẽ, hơn nữa, chúng tham gia vào các liên kết bên trong của phân tử, trong khi các phân tử của một chất như vậy thường trung hòa về điện. Tất cả các phân tử điện môi có thể làm là phân cực.

Dưới tác dụng của điện trường đặt vào chúng, các điện tích liên kết của mỗi phân tử sẽ chỉ hơi dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng, trong khi mỗi hạt tích điện sẽ nằm nguyên trong nguyên tử của chính nó. Hiện tượng này gọi là sự dịch chuyển điện tích phân cực điện môi.

Do sự phân cực, các điện tích xuất hiện trên bề mặt của chất điện môi được phân cực theo cách này bởi một điện trường đặt vào nó, điện trường này có xu hướng làm giảm điện trường bên ngoài gây ra sự phân cực với điện trường của chúng. Khả năng của một chất điện môi làm yếu điện trường ngoài theo cách này được gọi là hằng số điện môi.