โลหะและไดอิเล็กทริก—อะไรคือความแตกต่าง?

โลหะ

เวเลนต์อิเล็กตรอนของโลหะมีพันธะอย่างอ่อนกับอะตอมของโลหะ เมื่ออะตอมของโลหะควบแน่นจากไอระเหยของโลหะกลายเป็นโลหะเหลวหรือของแข็ง อิเล็กตรอนวงนอกจะไม่ถูกผูกมัดกับแต่ละอะตอมอีกต่อไปและสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในร่างกาย

อิเล็กตรอนเหล่านี้มีหน้าที่รับผิดชอบในการนำโลหะที่มีนัยสำคัญที่รู้จักกันดี และเรียกว่าอิเล็กตรอนนำไฟฟ้า

อะตอมของโลหะที่ดึงเอาเวเลนต์อิเล็กตรอนออกไป เช่น ไอออนบวก ประกอบกันเป็นโครงตาข่ายคริสตัล

ในโครงตาข่ายคริสตัล ไอออนจะทำการแกว่งอย่างวุ่นวายรอบๆ การซ้อนทับของสมดุล ซึ่งเรียกว่าไซต์ขัดแตะ การสั่นสะเทือนเหล่านี้แสดงถึงการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโครงตาข่ายและเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

อิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าในโลหะจะเคลื่อนที่แบบสุ่มด้วยความเร็วหลายพันกิโลเมตรต่อวินาที

เมื่อมีการใช้แรงดันไฟฟ้ากับลวดโลหะ อิเล็กตรอนตัวนำจะถูกพาออกไปอย่างช้าๆ โดยสนามไฟฟ้าตามเส้นลวดโดยไม่ทำให้การเคลื่อนที่ที่วุ่นวายลดลง

ด้วยความเบี่ยงเบนนี้ อิเล็กตรอนทั้งหมดจะได้รับความเร็วเล็กน้อยของการเคลื่อนที่ตามคำสั่ง (เช่น ลำดับของมิลลิเมตรต่อวินาที) นอกเหนือจากความเร็วโกลาหล การเคลื่อนไหวที่สั่งการอย่างอ่อนแอของสาเหตุ k กระแสไฟฟ้าในสายไฟ.

ไดอิเล็กทริก

สถานการณ์แตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับสารอื่นที่มีชื่อ ฉนวน (ในภาษาฟิสิกส์ - ไดอิเล็กทริก) ในไดอิเล็กตริก อะตอมจะสั่นสะเทือนในสภาวะสมดุลในลักษณะเดียวกับโลหะ แต่มีอิเล็กตรอนครบสมบูรณ์

อิเล็กตรอนวงนอกของอะตอมไดอิเล็กตริกมีพันธะอย่างแน่นหนากับอะตอมของพวกมัน และไม่ง่ายนักที่จะแยกพวกมันออกจากกัน ในการทำเช่นนี้ คุณต้องเพิ่มอุณหภูมิของไดอิเล็กตริกให้สูงขึ้นอย่างมากหรือให้รังสีเข้มข้นบางอย่างที่สามารถดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมได้ ในสภาวะปกติ ไม่มีอิเลคตรอนนำไฟฟ้าในไดอิเล็กตริกและไดอิเล็กตริกไม่มีกระแสไฟฟ้า

ไดอิเล็กตริกส่วนใหญ่ไม่ใช่อะตอม แต่เป็นผลึกโมเลกุลหรือของเหลว ซึ่งหมายความว่าไซต์ขัดแตะไม่ใช่อะตอม แต่เป็นโมเลกุล

โมเลกุลจำนวนมากประกอบด้วยอะตอม 2 กลุ่มหรือเพียง 2 อะตอม โดยกลุ่มหนึ่งเป็นขั้วบวกทางไฟฟ้าและอีกกลุ่มเป็นขั้วลบ (เรียกว่าโมเลกุลมีขั้ว) ตัวอย่างเช่น ในโมเลกุลของน้ำ อะตอมของไฮโดรเจนทั้งสองเป็นส่วนที่เป็นบวก และอะตอมของออกซิเจนซึ่งมีอิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนหมุนรอบตัวเองเกือบตลอดเวลาจะเป็นส่วนลบ

ประจุไฟฟ้า 2 ประจุที่มีขนาดเท่ากันแต่อยู่ตรงข้ามกันในเครื่องหมายซึ่งอยู่ห่างจากกันน้อยมากเรียกว่าไดโพล โมเลกุลมีขั้วเป็นตัวอย่างของไดโพล

หากโมเลกุลไม่ประกอบด้วยไอออนที่มีประจุตรงข้ามกัน (อะตอมที่มีประจุ) กล่าวคือ พวกมันไม่มีขั้วและไม่เป็นตัวแทนของไดโพล จากนั้นพวกมันจะกลายเป็นไดโพลภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า

สนามไฟฟ้าดึงประจุบวกซึ่งรวมอยู่ในองค์ประกอบของโมเลกุล (เช่น นิวเคลียส) ในทิศทางหนึ่ง และประจุลบในอีกทิศทางหนึ่ง แล้วผลักออกจากกัน ทำให้เกิดไดโพล

ไดโพลดังกล่าวเรียกว่ายางยืด—สนามจะยืดออกเหมือนสปริง พฤติกรรมของไดอิเล็กตริกที่มีโมเลกุลไม่มีขั้วนั้นแตกต่างเพียงเล็กน้อยจากพฤติกรรมของไดอิเล็กตริกที่มีโมเลกุลมีขั้ว และเราจะถือว่าโมเลกุลไดอิเล็กตริกนั้นเป็นไดโพล

ถ้าชิ้นส่วนของไดอิเล็กตริกวางอยู่ในสนามไฟฟ้า นั่นคือ ร่างกายที่มีประจุไฟฟ้าจะถูกนำไปที่ไดอิเล็กตริกซึ่งมี เช่น เฟืองบวก ไอออนลบของโมเลกุลไดโพลจะถูกดึงดูดมาที่ประจุนี้ และ ไอออนบวกจะถูกไล่ออก ดังนั้นไดโพลโมเลกุลจะหมุน การหมุนนี้เรียกว่าการวางแนว

การวางแนวไม่ได้แสดงถึงการหมุนของโมเลกุลอิเล็กทริกทั้งหมด โมเลกุลที่จับแบบสุ่มในเวลาที่กำหนดอาจหันเข้าหาสนาม และมีเพียงจำนวนเฉลี่ยของโมเลกุลเท่านั้นที่มีทิศทางที่อ่อนแอต่อสนาม (กล่าวคือ มีโมเลกุลจำนวนมากที่หันเข้าหาสนามมากกว่าในทิศทางตรงกันข้าม)

ทิศทางถูกขัดขวางโดยการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน—การสั่นสะเทือนที่วุ่นวายของโมเลกุลรอบๆ ตำแหน่งสมดุล ยิ่งอุณหภูมิต่ำเท่าใด ทิศทางของโมเลกุลที่เกิดจากสนามที่กำหนดก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น ในทางกลับกัน ที่อุณหภูมิที่กำหนด การวางแนวจะยิ่งเป็นธรรมชาติของสนาม

ไดอิเล็กตริกโพลาไรเซชัน

อันเป็นผลมาจากการวางแนวของโมเลกุลไดอิเล็กตริกบนพื้นผิวที่หันเข้าหาประจุบวก ปลายขั้วลบของโมเลกุลไดโพลจะปรากฏขึ้น และปลายขั้วบวกจะปรากฏบนพื้นผิวตรงข้าม

บนพื้นผิวของอิเล็กทริก ค่าไฟฟ้า… ประจุเหล่านี้เรียกว่าประจุโพลาไรเซชันและการเกิดขึ้นเรียกว่ากระบวนการไดอิเล็กทริกโพลาไรเซชัน

ดังต่อไปนี้จากข้างต้น โพลาไรเซชันขึ้นอยู่กับชนิดของไดอิเล็กตริก อาจเป็นทิศทาง (โมเลกุลของไดโพลสำเร็จรูปจะถูกวางแนว) และการเปลี่ยนรูปหรือโพลาไรเซชันแบบอิเลคทรอนิกส์ (โมเลกุลในสนามไฟฟ้าจะเปลี่ยนรูป กลายเป็นไดโพล)

คำถามอาจเกิดขึ้นว่าทำไมประจุโพลาไรเซชันจึงเกิดขึ้นเฉพาะบนพื้นผิวของไดอิเล็กตริกและไม่ได้อยู่ภายใน สิ่งนี้อธิบายได้จากความจริงที่ว่าภายในไดอิเล็กตริกนั้นปลายขั้วบวกและขั้วลบของโมเลกุลไดโพลจะหักล้างกัน การชดเชยจะขาดหายไปเฉพาะที่พื้นผิวของไดอิเล็กตริกหรือที่ส่วนต่อประสานระหว่างไดอิเล็กตริกสองตัว เช่นเดียวกับในไดอิเล็กตริกที่เป็นเนื้อเดียวกัน

ถ้าไดอิเล็กตริกมีขั้ว ไม่ได้หมายความว่ามีประจุ นั่นคือมีประจุไฟฟ้าทั้งหมด ด้วยโพลาไรเซชัน ประจุทั้งหมดของไดอิเล็กตริกจะไม่เปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม ประจุสามารถจ่ายให้กับไดอิเล็กตริกได้โดยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งจากภายนอกหรือรับอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งจากภายนอก ในกรณีแรก อิเล็กทริกจะมีประจุลบและในกรณีที่สองจะมีประจุเป็นบวก

การผลิตกระแสไฟฟ้าดังกล่าวสามารถผลิตได้โดย โดยแรงเสียดทาน… หากคุณถูแท่งแก้วบนไหม แท่งและไหมจะถูกประจุด้วยประจุที่ตรงกันข้าม (แก้ว - บวก, ไหม - ลบ)ในกรณีนี้ จะมีการเลือกอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งจากแท่งแก้ว (เป็นเศษส่วนน้อยมากของจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดที่เป็นของอะตอมทั้งหมดของแท่งแก้ว)

ดังนั้น, ในโลหะและตัวนำอื่นๆ (เช่นอิเล็กโทรไลต์) ประจุสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในร่างกาย ในทางกลับกัน ไดอิเล็กทริกไม่นำไฟฟ้า และประจุไฟฟ้าในพวกมันไม่สามารถเคลื่อนที่เป็นระยะทางไกลได้ (กล่าวคือ มีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับขนาดของอะตอมและโมเลกุล) ในสนามไฟฟ้า ไดอิเล็กตริกจะถูกโพลาไรซ์เท่านั้น

ไดอิเล็กตริกโพลาไรเซชัน ที่ความแรงของสนามที่ไม่เกินค่าที่แน่นอนสำหรับวัสดุที่กำหนดจะเป็นสัดส่วนกับความแรงของสนาม

อย่างไรก็ตาม เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น แรงภายในที่จับอนุภาคมูลฐานของสัญญาณต่างๆ ในโมเลกุลจะไม่เพียงพอที่จะยึดอนุภาคเหล่านั้นไว้ในโมเลกุล จากนั้นอิเล็กตรอนจะถูกขับออกจากโมเลกุล โมเลกุลจะแตกตัวเป็นไอออน และไดอิเล็กตริกจะสูญเสียคุณสมบัติการเป็นฉนวนไป— เกิดการสลายไดอิเล็กตริก

ค่าของความแรงของสนามไฟฟ้าที่การสลายไดอิเล็กตริกเริ่มต้นขึ้นเรียกว่า เกรเดียนต์การสลาย หรือ ความเป็นฉนวน