金属と誘電体 - 違いは何ですか?

金属

金属の価電子は、その原子に弱く結合しています。金属蒸気から凝縮した金属原子が液体または固体の金属を形成すると、外側の電子は個々の原子に拘束されなくなり、体内で自由に移動できるようになります。

これらの電子は、よく知られている金属の重要な導電性の原因となっており、伝導電子と呼ばれます。

価電子を剥ぎ取られた金属原子、つまり陽イオンが結晶格子を構成します。

結晶格子内では、イオンは格子サイトと呼ばれる平衡の重ね合わせの周りでカオス振動を行います。これらの振動は格子の熱運動を表し、温度の上昇とともに増加します。

金属内に電界がない場合、伝導電子は毎秒数千キロメートル程度の速度でランダムに移動します。

金属ワイヤに電圧が印加されると、伝導電子はその無秩序な運動を弱めることなく、ワイヤに沿った電場によって比較的ゆっくりと運び去られます。

この偏差により、すべての電子は、カオス的な速度に加えて、秩序だった小さな速度（たとえば、毎秒ミリメートル程度）を獲得します。この弱く秩序づけられた k の動きにより、 電線に流れる電流.

誘電体

その名を冠した他の物質では状況が全く異なります。 絶縁体 (物理学の言葉で言えば、誘電体)。誘電体では、原子は金属と同じように平衡付近で振動しますが、完全な電子を持っています。

誘電体原子の外側の電子はその原子に強く結合しているため、それらを分離するのはそれほど簡単ではありません。これを行うには、誘電体の温度を大幅に上昇させるか、原子から電子を剥ぎ取る可能性のあるある種の強力な放射線に誘電体をさらす必要があります。通常の状態では、誘電体には伝導電子がなく、誘電体には電流が流れません。

ほとんどの誘電体は原子ではなく、分子の結晶または液体です。これは、格子サイトが原子ではなく分子であることを意味します。

多くの分子は 2 つの原子グループ、または 2 つの原子のみで構成されており、一方は電気的にプラス、もう一方は電気的にマイナスです (これらは極性分子と呼ばれます)。たとえば、水分子では、両方の水素原子がプラスの部分であり、水素原子の電子がほとんどの場合その周りを回っている酸素原子はマイナスの部分です。

互いに非常に短い距離に位置する等しい大きさだが符号が反対の 2 つの電荷は、双極子と呼ばれます。極性分子は双極子の例です。

分子が逆に荷電したイオン (荷電原子) で構成されていない場合、つまり、分子が極性がなく双極子を示さない場合、電場の作用下で双極子になります。

電場は、分子 (核など) の構成に含まれる正電荷を一方向に引っ張り、負電荷をもう一方の方向に引っ張り、それらを押し離して双極子を作成します。

このような双極子は弾性と呼ばれ、磁場によってバネのように引き伸ばされます。無極性分子による誘電体の挙動は、極性分子による誘電体の挙動とほとんど変わりません。誘電体分子は双極子であると仮定します。

誘電体の一部が電場に置かれると、つまり、帯電した物体が、たとえば正の歯車を備えた誘電体に近づけられると、双極子分子のマイナスイオンがこの電荷に引き寄せられ、プラスイオンは弾かれてしまいます。したがって、双極子分子は回転します。この回転を配向と呼びます。

この配向は、すべての誘電体分子の完全な回転を表すわけではありません。特定の時間にランダムに採取された分子は最終的に場に面する可能性があり、平均的な数の分子だけが場に対して弱い配向を持ちます (つまり、反対方向よりも多くの分子が場に面しています)。

配向は熱運動、つまり平衡位置付近での分子の無秩序な振動によって妨げられます。温度が低いほど、特定の場によって引き起こされる分子の配向が強くなります。一方、所定の温度では、配向は自然に磁場が強くなります。

誘電分極

正電荷に面する表面上の誘電体分子の配向の結果、双極子分子の負の端が現れ、反対側の表面に正の端が現れます。

誘電体の表面では、 電荷… これらの電荷は分極電荷と呼ばれ、その発生は誘電分極のプロセスと呼ばれます。

上記のことからわかるように、分極は誘電体の種類に応じて、配向分極 (既製の双極子分子が配向する) と変形または電子変位分極 (電場内の分子が変形して双極子になる) の場合があります。

なぜ分極電荷は誘電体の表面にのみ形成され、誘電体の内部には形成されないのかという疑問が生じるかもしれません。これは、誘電体内では双極子分子のプラス端とマイナス端が単純に打ち消し合うという事実によって説明されます。補償は、不均一な誘電体と同様に、誘電体の表面または 2 つの誘電体間の界面でのみ存在します。

誘電体が分極している場合、それは帯電している、つまり全体の電荷があることを意味するわけではありません。分極しても、誘電体の総電荷は変化しません。ただし、外部から特定の数の電子を誘電体に転送するか、特定の数のそれ自体の電子を受け取ることによって、誘電体に電荷を与えることができます。前者の場合、誘電体はマイナスに帯電し、後者の場合は正に帯電します。

このような帯電は、例えば次のようにして発生させることができます。 摩擦による… ガラス棒を絹の上でこすると、棒と絹は逆の電荷を帯びます（ガラス - プラス、絹 - マイナス）。この場合、一定数の電子がガラス棒から選択されます (ガラス棒のすべての原子に属する電子の総数のごく一部)。

それで、 金属やその他の導体において (電解質など) 電荷は体内を自由に移動できます。一方、誘電体は伝導せず、その中で電荷は巨視的（つまり、原子や分子のサイズに比べて大きな）距離を移動できません。電場では、誘電体は分極するだけです。

誘電分極 特定の材料の特定の値を超えない電界強度では、電界強度に比例します。

しかし、電圧が増加すると、分子内の異なる符号の素粒子を結合する内部力が、それらの粒子を分子内に保持するには不十分になります。その後、電子が分子から放出され、分子はイオン化され、誘電体は絶縁特性を失います。 絶縁破壊が起こります。

絶縁破壊が始まる電界強度の値は絶縁破壊勾配と呼ばれます。 絶縁耐力。