Warum Dielektrika keinen Strom leiten

Um die Frage zu beantworten: „Warum leitet ein Dielektrikum keinen Strom?“ über das Aussehen und die Existenz von elektrischem Strom… Und dann vergleichen wir, wie sich Leiter und Dielektrika verhalten, um eine Antwort auf diese Frage zu finden.

Aktuell

Elektrischer Strom wird als geordnete, also gerichtete Bewegung geladener Teilchen bezeichnet elektrisches Feld… Daher erfordert die Existenz eines elektrischen Stroms zunächst die Anwesenheit freier geladener Teilchen, die sich gerichtet bewegen können. Zweitens ist ein elektrisches Feld erforderlich, um diese Ladungen anzutreiben. Und natürlich muss es einen bestimmten Raum geben, in dem diese Bewegung geladener Teilchen, elektrischer Strom genannt, stattfindet.

Freie geladene Teilchen kommen in Leitern reichlich vor: in Metallen, in Elektrolyten, im Plasma. In einem Kupferleiter sind dies beispielsweise freie Elektronen, in einem Elektrolyten Ionen, beispielsweise Schwefelsäureionen (Wasserstoff und Schwefeloxid), in einer Blei-Säure-Batterie, in Plasma Ionen und Elektronen bewegen sich während einer elektrischen Entladung in einem ionisierten Gas.

Metall

Nehmen wir zum Beispiel zwei Stücke Kupferdraht und verbinden damit eine kleine Glühbirne mit einer Batterie. Was wird passieren? Das Licht beginnt zu leuchten, was bedeutet, dass a Gleichstrom… Zwischen den Enden der Drähte besteht nun eine durch die Batterie erzeugte Potenzialdifferenz, was bedeutet, dass im Inneren des Drahtes ein elektrisches Feld zu wirken beginnt.

Das elektrische Feld zwingt die Elektronen der Außenhüllen von Kupferatomen, sich in Richtung des Feldes zu bewegen – von Atom zu Atom, von Atom zum nächsten Atom und so weiter entlang der Kette, weil die Elektronen der Außenhüllen aus Metall Atome sind viel weniger stark an Kerne gebunden als Elektronen, die näher an den Kernen der Elektronenbahnen liegen. Von dort, wo das Elektron zurückgeblieben ist, kommt ein weiteres Elektron vom Minuspol der Batterie, das heißt, Elektronen bewegen sich frei entlang der Metallkette und ändern leicht ihre Zugehörigkeit zu Atomen.

Sie scheinen sich entlang des Kristallgitters des Metalls in der Richtung zu bilden, in die sie gedrückt werden, und versuchen, das elektrische Feld zu beschleunigen (von Minus nach Plus der konstanten EMF-Quelle), während die Elektronen an den Atomen des Kristallgitters haften auf ihrem ganzen Weg.

Einige Elektronen zerfallen im Laufe ihrer Bewegung in Atome (aufgrund der Tatsache, dass die thermische Bewegung zusammen mit den Elektronen die gesamte Struktur der Atome in Schwingungen versetzt), wodurch sich der Leiter erwärmt - so äußert sich dies elektrischer Widerstand der Drähte.

Freie Elektronen in einem Metall

Die Untersuchung von Metallen mithilfe von Röntgenstrahlen und anderen Methoden hat gezeigt, dass Metalle eine kristalline Struktur haben.Dies bedeutet, dass sie aus Atomen oder Molekülen bestehen, die in einer bestimmten Weise im Raum angeordnet sind (in der Reihenfolge, Ionen), die in allen drei Dimensionen den richtigen Wechsel erzeugen.

Unter diesen Bedingungen liegen die Atome der Elemente so nahe beieinander, dass ihre äußeren Elektronen in gleichem Maße zu diesem Atom gehören wie zu den benachbarten, wodurch sich der Bindungsgrad des Elektrons an jedes einzelne Atom erhöht ist praktisch nicht vorhanden.

Abhängig von der Art des Metalls sind mindestens eines der Elektronen jedes Atoms, manchmal zwei Elektronen und in manchen Fällen sogar drei Elektronen in ihrer Bewegung im Metall unter dem Einfluss von außen einwirkender Kräfte frei.

Dielektrikum

Was ist in einem Dielektrikum enthalten? Wenn Sie anstelle von Kupferdrähten Kunststoff, Papier oder ähnliches verwenden? Es wird keinen Strom geben, es wird kein Licht angehen. Warum? Die Struktur des Dielektrikums ist so, dass es aus neutralen Molekülen besteht, die selbst unter Einwirkung eines elektrischen Feldes ihre Elektronen nicht in einer geordneten Bewegung abgeben – sie können es einfach nicht. In einem Dielektrikum gibt es keine freien Leitungselektronen wie in einem Metall.

Die äußeren Elektronen im Atom eines dielektrischen Moleküls sind dicht gepackt und außerdem an den inneren Bindungen des Moleküls beteiligt, während die Moleküle einer solchen Substanz normalerweise elektrisch neutral sind. Alles, was dielektrische Moleküle tun können, ist zu polarisieren.

Unter der Wirkung eines an sie angelegten elektrischen Feldes verschieben sich die zugehörigen elektrischen Ladungen jedes Moleküls einfach geringfügig aus der Gleichgewichtsposition, während jedes geladene Teilchen in seinem eigenen Atom verbleibt. Dieses Phänomen wird Ladungsverschiebung genannt dielektrische Polarisation.

Durch die Polarisation entstehen auf der Oberfläche eines derart polarisierten Dielektrikums durch ein an ihm angelegtes elektrisches Feld Ladungen, die mit ihrem elektrischen Feld das äußere elektrische Feld, das die Polarisation hervorgerufen hat, bestrebt sind, zu reduzieren. Die Fähigkeit eines Dielektrikums, auf diese Weise ein äußeres elektrisches Feld abzuschwächen, nennt man Dielektrizitätskonstante.