Kim loại và Điện môi—Sự khác biệt là gì?

kim loại

Các electron hóa trị của kim loại liên kết yếu với nguyên tử của chúng. Khi các nguyên tử kim loại ngưng tụ từ hơi kim loại tạo thành kim loại lỏng hoặc rắn, các electron bên ngoài không còn liên kết với các nguyên tử riêng lẻ và có thể di chuyển tự do trong cơ thể.

Những điện tử này chịu trách nhiệm cho tính dẫn điện đáng kể nổi tiếng của kim loại và chúng được gọi là điện tử dẫn.

Các nguyên tử kim loại bị loại bỏ các electron hóa trị của chúng, tức là các ion dương, tạo nên mạng tinh thể.

Trong mạng tinh thể, các ion thực hiện các dao động hỗn loạn xung quanh vị trí cân bằng chồng chất của chúng, được gọi là các vị trí mạng tinh thể. Những rung động này đại diện cho chuyển động nhiệt của mạng tinh thể và tăng lên khi nhiệt độ tăng.

Các electron dẫn trong trường hợp không có điện trường trong kim loại di chuyển ngẫu nhiên với tốc độ hàng nghìn km mỗi giây.

Khi một điện áp được đặt vào một dây kim loại, các electron dẫn, không làm suy yếu chuyển động hỗn loạn của chúng, được một điện trường mang đi tương đối chậm dọc theo dây.

Với độ lệch này, tất cả các electron đều thu được, ngoài tốc độ hỗn loạn, một tốc độ nhỏ của chuyển động có trật tự (ví dụ, theo thứ tự milimét trên giây). Chuyển động có trật tự yếu này của k gây ra dòng điện trong dây dẫn.

điện môi

Tình hình hoàn toàn khác với các chất khác mang tên chất cách điện (theo ngôn ngữ vật lý - điện môi). Trong chất điện môi, các nguyên tử dao động quanh trạng thái cân bằng giống như trong kim loại, nhưng chúng có đầy đủ các electron.

Các electron bên ngoài của các nguyên tử điện môi liên kết chặt chẽ với các nguyên tử của chúng và không dễ dàng tách chúng ra. Để làm được điều này, bạn cần tăng đáng kể nhiệt độ của chất điện môi hoặc cho nó tiếp xúc với một loại bức xạ cường độ cao nào đó có thể tách các electron ra khỏi nguyên tử. Ở trạng thái bình thường, không có electron dẫn trong chất điện môi và chất điện môi không mang dòng điện.

Hầu hết các chất điện môi không phải là nguyên tử mà là tinh thể phân tử hoặc chất lỏng. Điều này có nghĩa là các vị trí mạng tinh thể không phải là nguyên tử, mà là phân tử.

Nhiều phân tử bao gồm hai nhóm nguyên tử hoặc chỉ hai nguyên tử, một trong số đó mang điện dương và nhóm còn lại mang điện tích âm (chúng được gọi là phân tử phân cực). Ví dụ, trong một phân tử nước, cả hai nguyên tử hydro đều là phần dương và nguyên tử oxy, xung quanh đó các electron của nguyên tử hydro xoay quanh phần lớn thời gian, là phần âm.

Hai điện tích có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu nằm cách nhau một khoảng rất nhỏ được gọi là một lưỡng cực. Các phân tử cực là ví dụ về lưỡng cực.

Nếu các phân tử không bao gồm các ion tích điện trái dấu (nguyên tử tích điện), nghĩa là chúng không phân cực và không đại diện cho lưỡng cực, thì chúng trở thành lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường.

Điện trường kéo các điện tích dương có trong thành phần của phân tử (ví dụ hạt nhân) theo một hướng và các điện tích âm theo hướng khác và đẩy chúng ra xa nhau, tạo ra các lưỡng cực.

Những lưỡng cực như vậy được gọi là đàn hồi—trường kéo chúng ra giống như một chiếc lò xo. Hoạt động của một chất điện môi có các phân tử không phân cực khác rất ít so với hoạt động của một chất điện môi có các phân tử có cực, và chúng ta sẽ giả định rằng các phân tử điện môi là các lưỡng cực.

Nếu một miếng điện môi được đặt trong một điện trường, nghĩa là, một vật mang điện được đưa đến chất điện môi, chẳng hạn như có bánh răng dương, thì các ion âm của các phân tử lưỡng cực sẽ bị hút vào điện tích này, và các ion dương sẽ bị đẩy. Do đó, các phân tử lưỡng cực sẽ quay. Vòng quay này được gọi là định hướng.

Định hướng không thể hiện sự quay hoàn toàn của tất cả các phân tử điện môi. Một phân tử được lấy ngẫu nhiên tại một thời điểm nhất định có thể kết thúc đối diện với trường và chỉ một số phân tử trung bình có hướng yếu đối với trường (nghĩa là nhiều phân tử hướng về trường hơn là theo hướng ngược lại).

Sự định hướng bị cản trở bởi chuyển động nhiệt—những dao động hỗn loạn của các phân tử xung quanh vị trí cân bằng của chúng. Nhiệt độ càng thấp, sự định hướng của các phân tử gây ra bởi một trường nhất định càng mạnh. Mặt khác, ở một nhiệt độ nhất định, định hướng đương nhiên là trường càng mạnh.

phân cực điện môi

Do sự định hướng của các phân tử điện môi trên bề mặt đối diện với điện tích dương, các đầu âm của các phân tử lưỡng cực xuất hiện và các đầu dương ở bề mặt đối diện.

Trên bề mặt của chất điện môi, sạc điện… Các điện tích này được gọi là điện tích phân cực và quá trình xảy ra chúng được gọi là quá trình phân cực điện môi.

Như sau từ phần trên, sự phân cực, tùy thuộc vào loại điện môi, có thể là định hướng (các phân tử lưỡng cực làm sẵn được định hướng) và biến dạng hoặc phân cực dịch chuyển điện tử (các phân tử trong điện trường bị biến dạng, trở thành lưỡng cực).

Có thể đặt ra câu hỏi tại sao các điện tích phân cực chỉ được hình thành trên bề mặt của chất điện môi chứ không phải bên trong nó? Điều này được giải thích là do bên trong chất điện môi, các đầu dương và âm của các phân tử lưỡng cực sẽ triệt tiêu một cách đơn giản. Sự bù sẽ chỉ không có ở các bề mặt của chất điện môi hoặc tại giao diện giữa hai chất điện môi, cũng như trong chất điện môi không đồng nhất.

Nếu chất điện môi bị phân cực, điều đó không có nghĩa là nó được tích điện, nghĩa là nó có tổng điện tích. Với sự phân cực, tổng điện tích của chất điện môi không thay đổi. Tuy nhiên, một điện tích có thể được truyền vào một chất điện môi bằng cách chuyển một số lượng electron nhất định từ bên ngoài sang nó hoặc lấy một số lượng electron nhất định của chính nó. Trong trường hợp đầu tiên, chất điện môi sẽ được tích điện âm và trong trường hợp thứ hai - tích điện dương.

Điện khí hóa như vậy có thể được sản xuất, ví dụ, bằng bằng ma sát… Nếu cọ xát thanh thủy tinh vào lụa thì thanh và lụa nhiễm điện trái dấu (thủy tinh dương, lụa âm).Trong trường hợp này, một số electron nhất định sẽ bị chọn ra khỏi thanh thủy tinh (một phần rất nhỏ trong tổng số electron thuộc tất cả các nguyên tử của thanh thủy tinh).

Vì thế, trong kim loại và các chất dẫn điện khác (ví dụ: chất điện phân) có thể di chuyển tự do trong cơ thể. Mặt khác, chất điện môi không dẫn điện và trong đó các điện tích không thể di chuyển những khoảng cách vĩ mô (tức là lớn so với kích thước của nguyên tử và phân tử). Trong điện trường, chất điện môi chỉ bị phân cực.

phân cực điện môi ở cường độ trường không vượt quá các giá trị nhất định đối với một vật liệu nhất định tỷ lệ thuận với cường độ trường.

Tuy nhiên, khi điện áp tăng lên, các lực bên trong liên kết các hạt cơ bản có dấu hiệu khác nhau trong phân tử trở nên không đủ để giữ các hạt đó trong phân tử. Sau đó, các electron bị bật ra khỏi các phân tử, phân tử bị ion hóa và chất điện môi mất đi tính chất cách điện của nó — xảy ra sự cố điện môi.

Giá trị của cường độ điện trường tại đó bắt đầu đánh thủng điện môi được gọi là gradien đánh thủng, hay độ bền điện môi.