Logam dan Dielektrik—Apa Bedanya?

Logam

Elektron valensi logam terikat lemah pada atomnya. Ketika atom logam mengembun dari uap logam membentuk logam cair atau padat, elektron terluar tidak lagi terikat pada atom individu dan dapat bergerak bebas di dalam tubuh.

Elektron-elektron ini bertanggung jawab atas konduktivitas signifikan yang terkenal dari logam dan mereka disebut elektron konduksi.

Atom logam yang terlepas dari elektron valensinya, yaitu ion positif, membentuk kisi kristal.

Dalam kisi kristal, ion melakukan osilasi kacau di sekitar superposisi kesetimbangannya, yang disebut situs kisi. Getaran ini mewakili gerakan termal kisi dan meningkat dengan meningkatnya suhu.

Elektron konduksi dengan tidak adanya medan listrik dalam logam bergerak secara acak dengan kecepatan ribuan kilometer per detik.

Ketika tegangan diterapkan ke kawat logam, elektron konduksi, tanpa melemahkan gerakan kacaunya, terbawa relatif lambat oleh medan listrik di sepanjang kawat.

Dengan deviasi ini, semua elektron memperoleh, selain kecepatan kacau, kecepatan kecil gerakan teratur (dari urutan, misalnya, milimeter per detik). Pergerakan k yang tertata lemah ini menyebabkan arus listrik dalam sebuah kawat.

Dielektrik

Situasinya sangat berbeda dengan zat lain yang menyandang namanya isolator (dalam bahasa fisika - dielektrik). Dalam dielektrik, atom bergetar tentang kesetimbangan dengan cara yang sama seperti pada logam, tetapi mereka memiliki elektron yang lengkap.

Elektron terluar atom dielektrik terikat kuat pada atomnya dan tidak mudah untuk memisahkannya. Untuk melakukan ini, Anda perlu meningkatkan suhu dielektrik secara signifikan atau membuatnya terkena radiasi intens yang dapat melepaskan elektron dari atom. Dalam keadaan biasa, tidak ada elektron konduksi dalam dielektrik dan dielektrik tidak membawa arus.

Kebanyakan dielektrik bukan atom tetapi kristal atau cairan molekuler. Ini berarti bahwa situs kisi bukanlah atom, tetapi molekul.

Banyak molekul terdiri dari dua kelompok atom atau hanya dua atom, salah satunya bermuatan listrik positif dan yang lainnya negatif (ini disebut molekul polar). Misalnya, dalam molekul air, kedua atom hidrogen adalah bagian positif, dan atom oksigen, di mana sebagian besar elektron atom hidrogen berputar, adalah negatif.

Dua muatan yang sama besarnya tetapi berlawanan tanda yang terletak pada jarak yang sangat kecil satu sama lain disebut dipol. Molekul polar adalah contoh dipol.

Jika molekul tidak terdiri dari ion bermuatan berlawanan (atom bermuatan), yaitu, mereka bukan polar dan tidak mewakili dipol, maka mereka menjadi dipol di bawah aksi medan listrik.

Medan listrik menarik muatan positif, yang termasuk dalam komposisi molekul (misalnya, nukleus), ke satu arah, dan muatan negatif ke arah lain dan, mendorongnya terpisah, menciptakan dipol.

Dipol semacam itu disebut elastis—medan meregangkannya seperti pegas. Perilaku dielektrik dengan molekul nonpolar sedikit berbeda dari perilaku dielektrik dengan molekul polar, dan kita akan menganggap bahwa molekul dielektrik adalah dipol.

Jika sepotong dielektrik ditempatkan dalam medan listrik, yaitu benda bermuatan listrik dibawa ke dielektrik, yang memiliki, misalnya, roda gigi positif, ion negatif molekul dipol akan tertarik ke muatan ini, dan ion positif akan ditolak. Oleh karena itu, molekul dipol akan berputar. Rotasi ini disebut orientasi.

Orientasi tidak mewakili rotasi lengkap dari semua molekul dielektrik. Molekul yang diambil secara acak pada waktu tertentu mungkin berakhir menghadap medan, dan hanya rata-rata jumlah molekul yang memiliki orientasi lemah terhadap medan (yaitu, lebih banyak molekul yang menghadap medan daripada berlawanan arah).

Orientasi terhalang oleh gerakan termal—vibrasi kacau molekul di sekitar posisi kesetimbangannya. Semakin rendah suhunya, semakin kuat orientasi molekul yang disebabkan oleh medan tertentu. Di sisi lain, pada suhu tertentu orientasinya secara alami semakin kuat medannya.

Polarisasi dielektrik

Akibat orientasi molekul dielektrik pada permukaan yang menghadap muatan positif, ujung negatif molekul dipol muncul, dan ujung positif pada permukaan yang berlawanan.

Pada permukaan dielektrik, muatan listrik… Muatan ini disebut muatan polarisasi dan kemunculannya disebut proses polarisasi dielektrik.

Sebagai berikut dari penjelasan di atas, polarisasi, tergantung pada jenis dielektriknya, dapat bersifat orientasional (molekul dipol siap pakai berorientasi) dan deformasi atau polarisasi perpindahan elektronik (molekul dalam medan listrik berubah bentuk, menjadi dipol).

Mungkin timbul pertanyaan mengapa muatan polarisasi hanya terbentuk pada permukaan dielektrik dan bukan di dalamnya? Ini dijelaskan oleh fakta bahwa di dalam dielektrik, ujung positif dan negatif dari molekul dipol hilang begitu saja. Kompensasi tidak akan ada hanya pada permukaan dielektrik atau pada antarmuka antara dua dielektrik, serta pada dielektrik yang tidak homogen.

Jika dielektrik terpolarisasi, bukan berarti dielektrik bermuatan, yaitu memiliki muatan listrik total. Dengan polarisasi, muatan total dielektrik tidak berubah. Namun, muatan dapat diberikan ke dielektrik dengan mentransfer sejumlah elektron ke dalamnya dari luar atau mengambil sejumlah elektronnya sendiri. Dalam kasus pertama, dielektrik akan bermuatan negatif, dan yang kedua - bermuatan positif.

Elektrifikasi semacam itu dapat diproduksi, misalnya oleh oleh gesekan… Jika Anda menggosokkan batang kaca pada sutera, maka batang dan sutera akan diisi dengan muatan yang berlawanan (kaca - positif, sutera - negatif).Dalam hal ini, sejumlah elektron tertentu akan dipilih dari batang kaca (fraksi yang sangat kecil dari jumlah total elektron yang dimiliki oleh semua atom batang kaca).

Jadi, dalam logam dan konduktor lainnya (misalnya elektrolit) muatan dapat bergerak bebas di dalam tubuh. Dielektrik, di sisi lain, tidak melakukan, dan di dalamnya muatan tidak dapat memindahkan jarak makroskopik (yaitu, besar dibandingkan dengan ukuran atom dan molekul). Dalam medan listrik, dielektrik hanya terpolarisasi.

Polarisasi dielektrik pada kekuatan medan yang tidak melebihi nilai tertentu untuk bahan yang diberikan sebanding dengan kekuatan medan.

Namun, ketika voltase meningkat, gaya internal yang mengikat partikel elementer dari tanda yang berbeda dalam molekul menjadi tidak cukup untuk menahan partikel tersebut di dalam molekul. Kemudian elektron dikeluarkan dari molekul, molekul terionisasi dan dielektrik kehilangan sifat isolasinya - kerusakan dielektrik terjadi.

Nilai kekuatan medan listrik di mana kerusakan dielektrik dimulai disebut gradien kerusakan, atau kekuatan dielektrik.