المعادن والعوازل - ما هي الاختلافات؟
المعادن
ترتبط إلكترونات التكافؤ للمعدن ارتباطًا ضعيفًا بذراتها. عندما تتكثف ذرات المعدن من الأبخرة المعدنية تشكل معدنًا سائلًا أو صلبًا ، فإن الإلكترونات الخارجية لم تعد مرتبطة بالذرات الفردية ويمكنها التحرك بحرية في الجسم.
هذه الإلكترونات مسؤولة عن الموصلية المهمة المعروفة للمعادن وتسمى إلكترونات التوصيل.
تشكل ذرات المعادن المجردة من إلكترونات التكافؤ ، أي الأيونات الموجبة ، الشبكة البلورية.
في الشبكة البلورية ، تقوم الأيونات بأداء اهتزازات فوضوية حول تراكب التوازن ، تسمى مواقع الشبكة. تمثل هذه الاهتزازات الحركة الحرارية للشبكة وتزداد مع زيادة درجة الحرارة.
تتحرك إلكترونات التوصيل في حالة عدم وجود مجال كهربائي في المعدن بشكل عشوائي بسرعة تصل إلى آلاف الكيلومترات في الثانية.
عندما يتم تطبيق جهد على سلك معدني ، فإن إلكترونات التوصيل ، دون إضعاف حركتها الفوضوية ، يتم نقلها ببطء نسبيًا بواسطة مجال كهربائي على طول السلك.
مع هذا الانحراف ، تكتسب جميع الإلكترونات ، بالإضافة إلى السرعة الفوضوية ، سرعة صغيرة للحركة المنظمة (بترتيب ، على سبيل المثال ، ملليمترات في الثانية). هذه الحركة ضعيفة الترتيب من أسباب k التيار الكهربائي في سلك.
عوازل
الوضع مختلف تمامًا عن المواد الأخرى التي تحمل الاسم عوازل (في لغة الفيزياء - عوازل). في المواد العازلة ، تهتز الذرات حول التوازن بنفس الطريقة التي تهتز بها المعادن ، لكن لديها مجموعة كاملة من الإلكترونات.
ترتبط الإلكترونات الخارجية للذرات العازلة بشدة بذراتها وليس من السهل فصلها. للقيام بذلك ، تحتاج إلى زيادة درجة حرارة العازل بشكل كبير أو تعريضه لنوع من الإشعاع الشديد الذي يمكن أن يزيل الإلكترونات من الذرات. في الحالة العادية ، لا توجد إلكترونات موصلة في عازل ولا تحمل العوازل تيارًا.
معظم العوازل ليست ذرية بل بلورات أو سوائل جزيئية. هذا يعني أن المواقع الشبكية ليست ذرات ، بل جزيئات.
تتكون العديد من الجزيئات من مجموعتين من الذرات أو ذرتين فقط ، إحداهما موجبة كهربائيًا والأخرى سلبية (تسمى هذه الجزيئات القطبية). على سبيل المثال ، في جزيء الماء ، تكون ذرتا الهيدروجين هي الجزء الموجب ، وتكون ذرة الأكسجين ، التي تدور حولها إلكترونات ذرات الهيدروجين معظم الوقت ، سالبة.
تسمى شحنتان متساويتان في الحجم ولكن متعاكستان في علامة تقع على مسافة صغيرة جدًا من بعضهما البعض ثنائي القطب. الجزيئات القطبية هي أمثلة على ثنائيات الأقطاب.
إذا كانت الجزيئات لا تتكون من أيونات مشحونة بشكل معاكس (ذرات مشحونة) ، أي أنها ليست قطبية ولا تمثل ثنائيات أقطاب ، فإنها تصبح ثنائيات أقطاب تحت تأثير مجال كهربائي.
يسحب المجال الكهربائي الشحنات الموجبة ، التي يتم تضمينها في تكوين الجزيء (على سبيل المثال ، النواة) ، في اتجاه واحد ، والشحنات السالبة في الاتجاه الآخر ، مما يؤدي إلى فصلها عن بعضها البعض ، مما يؤدي إلى تكوين ثنائيات أقطاب.
تسمى ثنائيات الأقطاب هذه بالمرونة - يمتد المجال لها مثل الزنبرك. يختلف سلوك العازل مع الجزيئات غير القطبية قليلاً عن سلوك العازل مع الجزيئات القطبية ، وسنفترض أن الجزيئات العازلة هي ثنائيات أقطاب.
إذا تم وضع قطعة من العازل في مجال كهربائي ، أي ، يتم إحضار جسم مشحون كهربائيًا إلى العازل الكهربائي ، والذي يحتوي ، على سبيل المثال ، على ترس موجب ، فإن الأيونات السالبة لجزيئات ثنائي القطب سوف تنجذب إلى هذه الشحنة ، و سيتم صد الأيونات الموجبة. لذلك ، سوف تدور جزيئات ثنائي القطب. يسمى هذا الدوران بالتوجيه.
لا يمثل الاتجاه دورانًا كاملاً لجميع جزيئات العزل الكهربائي. قد ينتهي الأمر بالجزيء المأخوذ عشوائيًا في وقت معين إلى مواجهة المجال ، ويكون متوسط عدد الجزيئات فقط له اتجاه ضعيف إلى المجال (أي أن المزيد من الجزيئات تواجه المجال أكثر من الاتجاه المعاكس).
يتم إعاقة التوجيه بالحركة الحرارية - الاهتزازات الفوضوية للجزيئات حول مواضع توازنها. كلما انخفضت درجة الحرارة ، كان اتجاه الجزيئات الناتج عن مجال معين أقوى. من ناحية أخرى ، عند درجة حرارة معينة يكون الاتجاه بطبيعة الحال أقوى المجال.
استقطاب عازل
نتيجة لاتجاه الجزيئات العازلة على السطح الذي يواجه الشحنة الموجبة ، تظهر الأطراف السالبة للجزيئات ثنائية القطب ، والنهايات الموجبة على السطح المقابل.
على أسطح العازل الكهربائي ، الشحنات الكهربائية... تسمى هذه الشحنات بشحنات الاستقطاب ويسمى حدوثها عملية الاستقطاب العازل.
على النحو التالي ، يمكن أن يكون الاستقطاب ، اعتمادًا على نوع العازل ، توجيهيًا (يتم توجيه جزيئات ثنائي القطب الجاهزة) والتشوه أو استقطاب الإزاحة الإلكترونية (يتم تشويه الجزيئات في المجال الكهربائي ، لتصبح ثنائيات القطب).
قد يطرح السؤال لماذا تتشكل رسوم الاستقطاب فقط على أسطح العازل وليس داخله؟ هذا ما يفسره حقيقة أنه داخل العازل الكهربائي ، تلغي النهايات الموجبة والسالبة للجزيئات ثنائية القطب ببساطة. لن يكون التعويض موجودًا إلا عند أسطح العازل أو عند السطح البيني بين عازلين كهربائيين ، وكذلك في عازل غير متجانس.
إذا كان العازل مستقطبًا ، فهذا لا يعني أنه مشحون ، أي أنه يحتوي على شحنة كهربائية كلية. مع الاستقطاب ، لا تتغير الشحنة الكلية للعزل الكهربائي. ومع ذلك ، يمكن نقل شحنة إلى عازل كهربائي عن طريق نقل عدد معين من الإلكترونات إليه من الخارج أو أخذ عدد معين من إلكتروناته الخاصة. في الحالة الأولى ، سيتم شحن العازل سالبًا ، وفي الحالة الثانية - شحنة موجبة.
يمكن إنتاج مثل هذه الكهرباء ، على سبيل المثال ، من خلال بالاحتكاك... إذا قمت بفرك الحرير بقضيب زجاجي ، فسيتم شحن القضيب والحرير بشحنات متقابلة (زجاج - موجب ، حرير - سلبي).في هذه الحالة ، سيتم اختيار عدد معين من الإلكترونات من قضيب الزجاج (جزء صغير جدًا من إجمالي عدد الإلكترونات التي تنتمي إلى جميع ذرات قضيب الزجاج).
لذا، في المعادن والموصلات الأخرى (على سبيل المثال الشوارد) يمكن أن تتحرك الشحنات بحرية في الجسم. من ناحية أخرى ، لا توصل العوازل الكهربائية ، ولا تستطيع الشحنات فيها تحريك مسافات ميكروسكوبية (أي كبيرة مقارنة بحجم الذرات والجزيئات). في المجال الكهربائي ، يكون العازل مستقطبًا فقط.
استقطاب عازل عند شدة المجال التي لا تتجاوز قيمًا معينة لمادة معينة تتناسب مع شدة المجال.
ومع زيادة الجهد ، تصبح القوى الداخلية التي تربط الجسيمات الأولية ذات العلامات المختلفة في الجزيئات غير كافية للاحتفاظ بهذه الجسيمات في الجزيئات. ثم يتم إخراج الإلكترونات من الجزيئات ، ويتأين الجزيء ويفقد العازل خصائصه العازلة - يحدث انهيار عازل.
تسمى قيمة شدة المجال الكهربائي التي يبدأ عندها الانهيار العازل بتدرج الانهيار ، أو قوة عازلة.