Metalle und Dielektrika – Was sind die Unterschiede?

Metalle

Die Valenzelektronen eines Metalls sind schwach an ihre Atome gebunden. Wenn aus Metalldämpfen kondensierende Metallatome ein flüssiges oder festes Metall bilden, sind die Außenelektronen nicht mehr an einzelne Atome gebunden und können sich frei im Körper bewegen.

Diese Elektronen sind für die bekannte erhebliche Leitfähigkeit von Metallen verantwortlich und werden Leitungselektronen genannt.

Metallatome, denen ihre Valenzelektronen, also positive Ionen, entzogen sind, bilden das Kristallgitter.

Im Kristallgitter vollführen Ionen chaotische Schwingungen um ihre Gleichgewichtsüberlagerung, sogenannte Gitterplätze. Diese Schwingungen stellen die thermische Bewegung des Gitters dar und nehmen mit steigender Temperatur zu.

Leitungselektronen bewegen sich ohne elektrisches Feld im Metall zufällig mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von Tausenden von Kilometern pro Sekunde.

Wenn an einen Metalldraht eine Spannung angelegt wird, werden die Leitungselektronen, ohne ihre chaotische Bewegung abzuschwächen, relativ langsam durch ein elektrisches Feld entlang des Drahtes abtransportiert.

Mit dieser Abweichung erhalten alle Elektronen zusätzlich zur chaotischen Geschwindigkeit eine kleine Geschwindigkeit geordneter Bewegung (in der Größenordnung von beispielsweise Millimetern pro Sekunde). Diese schwach geordnete Bewegung von k verursacht elektrischer Strom in einem Draht.

Dielektrika

Bei anderen Stoffen, die diesen Namen tragen, ist die Situation völlig anders Isolatoren (in der Sprache der Physik: Dielektrika). In Dielektrika schwingen die Atome auf die gleiche Weise wie in Metallen um das Gleichgewicht, verfügen jedoch über eine vollständige Elektronenbesetzung.

Die Außenelektronen dielektrischer Atome sind fest an ihre Atome gebunden und lassen sich nicht so einfach trennen. Dazu müssen Sie die Temperatur des Dielektrikums erheblich erhöhen oder es einer intensiven Strahlung aussetzen, die den Atomen Elektronen entziehen kann. Im Normalzustand gibt es in einem Dielektrikum keine Leitungselektronen und Dielektrika führen keinen Strom.

Die meisten Dielektrika sind keine Atome, sondern molekulare Kristalle oder Flüssigkeiten. Das bedeutet, dass es sich bei den Gitterplätzen nicht um Atome, sondern um Moleküle handelt.

Viele Moleküle bestehen aus zwei Atomgruppen oder nur zwei Atomen, von denen eines elektrisch positiv und das andere negativ ist (diese werden polare Moleküle genannt). Beispielsweise sind in einem Wassermolekül beide Wasserstoffatome der positive Teil und das Sauerstoffatom, um das sich die Elektronen der Wasserstoffatome die meiste Zeit drehen, negativ.

Zwei Ladungen gleicher Größe, aber entgegengesetztem Vorzeichen, die in sehr geringem Abstand voneinander angeordnet sind, werden als Dipol bezeichnet. Polare Moleküle sind Beispiele für Dipole.

Bestehen die Moleküle nicht aus entgegengesetzt geladenen Ionen (geladenen Atomen), sind sie also nicht polar und stellen keine Dipole dar, dann werden sie unter Einwirkung eines elektrischen Feldes zu Dipolen.

Das elektrische Feld zieht positive Ladungen, die in der Zusammensetzung eines Moleküls (z. B. eines Kerns) enthalten sind, in die eine Richtung und negative Ladungen in die andere und drückt sie auseinander und erzeugt Dipole.

Solche Dipole nennt man elastisch – das Feld dehnt sie wie eine Feder. Das Verhalten eines Dielektrikums mit unpolaren Molekülen unterscheidet sich kaum vom Verhalten eines Dielektrikums mit polaren Molekülen, und wir gehen davon aus, dass die dielektrischen Moleküle Dipole sind.

Wird ein Stück Dielektrikum in ein elektrisches Feld gebracht, das heißt, ein elektrisch geladener Körper wird auf das Dielektrikum gebracht, das beispielsweise eine positive Verzahnung aufweist, so werden die negativen Ionen von Dipolmolekülen von dieser Ladung angezogen und die Positive Ionen werden abgestoßen. Daher drehen sich die Dipolmoleküle. Diese Drehung wird Orientierung genannt.

Die Orientierung stellt keine vollständige Drehung aller dielektrischen Moleküle dar. Ein zu einem bestimmten Zeitpunkt zufällig ausgewähltes Molekül kann am Ende dem Feld zugewandt sein, und nur eine durchschnittliche Anzahl von Molekülen weist eine schwache Ausrichtung zum Feld auf (d. h. mehr Moleküle sind dem Feld zugewandt als in die entgegengesetzte Richtung).

Die Orientierung wird durch thermische Bewegung behindert – chaotische Schwingungen von Molekülen um ihre Gleichgewichtspositionen. Je niedriger die Temperatur, desto stärker ist die Orientierung der Moleküle, die durch ein bestimmtes Feld verursacht wird. Andererseits ist bei einer gegebenen Temperatur die Ausrichtung natürlicherweise umso stärker, je stärker das Feld ist.

Dielektrische Polarisation

Durch die Ausrichtung der dielektrischen Moleküle auf der der positiven Ladung zugewandten Oberfläche erscheinen die negativen Enden der Dipolmoleküle und die positiven auf der gegenüberliegenden Oberfläche.

Auf den Oberflächen des Dielektrikums elektrische Ladungen… Diese Ladungen werden Polarisationsladungen genannt und ihr Auftreten wird als Prozess der dielektrischen Polarisation bezeichnet.

Wie aus dem oben Gesagten hervorgeht, kann die Polarisation je nach Art des Dielektrikums eine Orientierungspolarisation (vorgefertigte Dipolmoleküle werden ausgerichtet) und eine Deformations- oder elektronische Verschiebungspolarisation (Moleküle in einem elektrischen Feld werden deformiert und werden zu Dipolen) sein.

Es stellt sich möglicherweise die Frage, warum Polarisationsladungen nur auf den Oberflächen des Dielektrikums und nicht im Inneren gebildet werden. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass sich innerhalb des Dielektrikums die positiven und negativen Enden der Dipolmoleküle einfach aufheben. Eine Kompensation fehlt nur an den Oberflächen eines Dielektrikums oder an der Grenzfläche zwischen zwei Dielektrika sowie bei einem inhomogenen Dielektrikum.

Wenn das Dielektrikum polarisiert ist, heißt das nicht, dass es geladen ist, also eine elektrische Gesamtladung besitzt. Bei der Polarisation ändert sich die Gesamtladung des Dielektrikums nicht. Allerdings kann einem Dielektrikum eine Ladung verliehen werden, indem man ihm von außen eine bestimmte Anzahl Elektronen überträgt oder eine bestimmte Anzahl eigener Elektronen aufnimmt. Im ersten Fall ist das Dielektrikum negativ geladen, im zweiten Fall positiv.

Eine solche Elektrifizierung kann beispielsweise erzeugt werden durch durch Reibung… Wenn Sie einen Glasstab über Seide reiben, werden der Stab und die Seide mit entgegengesetzten Ladungen aufgeladen (Glas – positiv, Seide – negativ).In diesem Fall wird eine bestimmte Anzahl von Elektronen aus dem Glasstab ausgewählt (ein sehr kleiner Bruchteil der Gesamtzahl der Elektronen, die zu allen Atomen des Glasstabs gehören).

So, in Metallen und anderen Leitern (z. B. Elektrolyte) Ladungen können sich im Körper frei bewegen. Dielektrika hingegen sind nicht leitend und in ihnen können Ladungen keine makroskopischen (dh im Vergleich zur Größe von Atomen und Molekülen großen) Entfernungen zurücklegen. In einem elektrischen Feld ist das Dielektrikum nur polarisiert.

Dielektrische Polarisation Bei einer Feldstärke, die bestimmte Werte für ein bestimmtes Material nicht überschreitet, ist die Feldstärke proportional.

Mit zunehmender Spannung reichen jedoch die inneren Kräfte, die Elementarteilchen unterschiedlichen Vorzeichens in den Molekülen binden, nicht mehr aus, um diese Teilchen in den Molekülen zu halten. Dann werden die Elektronen aus den Molekülen herausgeschleudert, das Molekül wird ionisiert und das Dielektrikum verliert seine isolierenden Eigenschaften – es kommt zu einem dielektrischen Durchschlag.

Der Wert der elektrischen Feldstärke, bei dem der dielektrische Durchbruch beginnt, wird Durchbruchgradient genannt Spannungsfestigkeit.