Metales y dieléctricos: ¿cuáles son las diferencias?

Rieles

Los electrones de valencia de un metal están débilmente unidos a sus átomos. Cuando los átomos de metal que se condensan a partir de vapores metálicos forman un metal líquido o sólido, los electrones externos ya no están unidos a átomos individuales y pueden moverse libremente en el cuerpo.

Estos electrones son los responsables de la conocida conductividad significativa de los metales y se denominan electrones de conducción.

Los átomos de metal despojados de sus electrones de valencia, es decir, los iones positivos, forman la red cristalina.

En la red cristalina, los iones realizan oscilaciones caóticas alrededor de su superposición de equilibrio, llamados sitios de red. Estas vibraciones representan el movimiento térmico de la red y aumentan al aumentar la temperatura.

Los electrones de conducción en ausencia de un campo eléctrico en el metal se mueven aleatoriamente a velocidades del orden de miles de kilómetros por segundo.

Cuando se aplica un voltaje a un alambre de metal, los electrones de conducción, sin debilitar su movimiento caótico, son arrastrados con relativa lentitud por un campo eléctrico a lo largo del alambre.

Con esta desviación, todos los electrones adquieren, además de la velocidad caótica, una pequeña velocidad de movimiento ordenado (del orden de, por ejemplo, milímetros por segundo). Este movimiento débilmente ordenado de k provoca corriente electrica en un alambre.

Dieléctricos

La situación es completamente diferente con otras sustancias que llevan el nombre aisladores (en el lenguaje de la física - dieléctricos). En los dieléctricos, los átomos vibran en torno al equilibrio de la misma manera que en los metales, pero tienen un complemento completo de electrones.

Los electrones exteriores de los átomos dieléctricos están fuertemente unidos a sus átomos y no es tan fácil separarlos. Para hacer esto, debe aumentar significativamente la temperatura del dieléctrico o someterlo a algún tipo de radiación intensa que pueda quitarle electrones a los átomos. En el estado ordinario, no hay electrones de conducción en un dieléctrico y los dieléctricos no transportan corriente.

La mayoría de los dieléctricos no son cristales o líquidos atómicos sino moleculares. Esto significa que los sitios de la red no son átomos, sino moléculas.

Muchas moléculas consisten en dos grupos de átomos o solo dos átomos, uno de los cuales es eléctricamente positivo y el otro negativo (estas se llaman moléculas polares). Por ejemplo, en una molécula de agua, ambos átomos de hidrógeno son la parte positiva, y el átomo de oxígeno, alrededor del cual giran la mayor parte del tiempo los electrones de los átomos de hidrógeno, es negativo.

Dos cargas de igual magnitud pero de signo opuesto ubicadas a una distancia muy pequeña entre sí se denominan dipolo. Las moléculas polares son ejemplos de dipolos.

Si las moléculas no están formadas por iones de carga opuesta (átomos cargados), es decir, no son polares y no representan dipolos, entonces se convierten en dipolos bajo la acción de un campo eléctrico.

El campo eléctrico atrae las cargas positivas, que están incluidas en la composición de una molécula (por ejemplo, un núcleo), en una dirección y las cargas negativas en la otra y, separándolas, crea dipolos.

Estos dipolos se denominan elásticos: el campo los estira como un resorte. El comportamiento de un dieléctrico con moléculas no polares difiere poco del comportamiento de un dieléctrico con moléculas polares, y supondremos que las moléculas dieléctricas son dipolos.

Si se coloca una pieza de dieléctrico en un campo eléctrico, es decir, se lleva un cuerpo cargado eléctricamente al dieléctrico, que tiene, por ejemplo, un engranaje positivo, los iones negativos de las moléculas del dipolo serán atraídos por esta carga, y el los iones positivos serán repelidos. Por lo tanto, las moléculas dipolares rotarán. Esta rotación se llama orientación.

La orientación no representa una rotación completa de todas las moléculas dieléctricas. Una molécula tomada al azar en un momento dado puede terminar mirando hacia el campo, y solo un número promedio de moléculas tienen una orientación débil hacia el campo (es decir, hay más moléculas mirando hacia el campo que en la dirección opuesta).

La orientación se ve obstaculizada por el movimiento térmico: vibraciones caóticas de las moléculas alrededor de sus posiciones de equilibrio. Cuanto más baja es la temperatura, más fuerte es la orientación de las moléculas causada por un campo dado. Por otro lado, a una temperatura dada la orientación es naturalmente más fuerte el campo.

polarización dieléctrica

Como resultado de la orientación de las moléculas dieléctricas en la superficie que mira hacia la carga positiva, aparecen los extremos negativos de las moléculas dipolares y los positivos en la superficie opuesta.

En las superficies del dieléctrico, cargos electricos… Estas cargas se denominan cargas de polarización y su aparición se denomina proceso de polarización dieléctrica.

Como se desprende de lo anterior, la polarización, dependiendo del tipo de dieléctrico, puede ser orientacional (las moléculas dipolares preparadas se orientan) y deformación o polarización por desplazamiento electrónico (las moléculas en un campo eléctrico se deforman, convirtiéndose en dipolos).

Puede surgir la pregunta de por qué las cargas de polarización se forman solo en las superficies del dieléctrico y no dentro de él. Esto se explica por el hecho de que dentro del dieléctrico los extremos positivo y negativo de las moléculas del dipolo simplemente se cancelan. La compensación estará ausente solo en las superficies de un dieléctrico o en la interfaz entre dos dieléctricos, así como en un dieléctrico no homogéneo.

Si el dieléctrico está polarizado, no significa que esté cargado, es decir, tiene carga eléctrica total. Con la polarización, la carga total del dieléctrico no cambia. Sin embargo, se puede impartir una carga a un dieléctrico transfiriéndole una cierta cantidad de electrones desde el exterior o tomando una cierta cantidad de sus propios electrones. En el primer caso, el dieléctrico tendrá una carga negativa y, en el segundo, una carga positiva.

Tal electrificación se puede producir, por ejemplo, mediante por fricción… Si frotas una varilla de vidrio sobre seda, entonces la varilla y la seda se cargarán con cargas opuestas (vidrio - positivo, seda - negativo).En este caso, se seleccionará un cierto número de electrones de la varilla de vidrio (una fracción muy pequeña del número total de electrones pertenecientes a todos los átomos de la varilla de vidrio).

Entonces, en metales y otros conductores (por ejemplo, electrolitos) las cargas pueden moverse libremente en el cuerpo. Los dieléctricos, por otro lado, no conducen, y en ellos las cargas no pueden moverse distancias macroscópicas (es decir, grandes en comparación con el tamaño de los átomos y moléculas). En un campo eléctrico, el dieléctrico solo está polarizado.

polarización dieléctrica a una intensidad de campo que no exceda ciertos valores para un material dado es proporcional a la intensidad de campo.

Sin embargo, a medida que aumenta el voltaje, las fuerzas internas que unen partículas elementales de diferentes signos en las moléculas se vuelven insuficientes para retener esas partículas en las moléculas. Luego, los electrones son expulsados ​​de las moléculas, la molécula se ioniza y el dieléctrico pierde sus propiedades aislantes. se produce ruptura dieléctrica.

El valor de la intensidad del campo eléctrico en el que comienza la ruptura dieléctrica se denomina gradiente de ruptura, o resistencia dieléctrica.