Métaux et diélectriques : quelles sont les différences ?

Les métaux

Les électrons de valence d'un métal sont faiblement liés à leurs atomes. Lorsque les atomes métalliques se condensant à partir de vapeurs métalliques forment un métal liquide ou solide, les électrons externes ne sont plus liés aux atomes individuels et peuvent se déplacer librement dans le corps.

Ces électrons sont responsables de la conductivité importante bien connue des métaux et sont appelés électrons de conduction.

Les atomes métalliques dépouillés de leurs électrons de valence, c'est-à-dire les ions positifs, constituent le réseau cristallin.

Dans le réseau cristallin, les ions effectuent des oscillations chaotiques autour de leur superposition d'équilibre, appelées sites de réseau. Ces vibrations représentent le mouvement thermique du réseau et augmentent avec l'augmentation de la température.

Les électrons de conduction en l'absence de champ électrique dans le métal se déplacent de manière aléatoire à des vitesses de l'ordre de milliers de kilomètres par seconde.

Lorsqu'une tension est appliquée à un fil métallique, les électrons de conduction, sans affaiblir leur mouvement chaotique, sont emportés relativement lentement par un champ électrique le long du fil.

Avec cette déviation, tous les électrons acquièrent, en plus de la vitesse chaotique, une petite vitesse de mouvement ordonné (de l'ordre, par exemple, de millimètres par seconde). Ce mouvement faiblement ordonné de k provoque courant électrique dans un fil.

Diélectriques

La situation est complètement différente avec d'autres substances qui portent le nom isolateurs (dans le langage de la physique — diélectriques). Dans les diélectriques, les atomes vibrent autour de l'équilibre de la même manière que dans les métaux, mais ils ont un complément complet d'électrons.

Les électrons externes des atomes diélectriques sont fortement liés à leurs atomes et il n'est pas si facile de les séparer. Pour ce faire, vous devez augmenter considérablement la température du diélectrique ou le soumettre à une sorte de rayonnement intense qui peut enlever les électrons des atomes. Dans l'état ordinaire, il n'y a pas d'électrons de conduction dans un diélectrique et les diélectriques ne transportent pas de courant.

La plupart des diélectriques ne sont pas des cristaux ou des liquides atomiques mais moléculaires. Cela signifie que les sites du réseau ne sont pas des atomes, mais des molécules.

De nombreuses molécules sont constituées de deux groupes d'atomes ou seulement de deux atomes, dont l'un est électriquement positif et l'autre négatif (on les appelle molécules polaires). Par exemple, dans une molécule d'eau, les deux atomes d'hydrogène sont la partie positive et l'atome d'oxygène, autour duquel les électrons des atomes d'hydrogène tournent la plupart du temps, sont négatifs.

Deux charges d'amplitude égale mais de signe opposé situées à une très petite distance l'une de l'autre s'appellent un dipôle. Les molécules polaires sont des exemples de dipôles.

Si les molécules ne sont pas constituées d'ions chargés de manière opposée (atomes chargés), c'est-à-dire qu'elles ne sont pas polaires et ne représentent pas de dipôles, elles deviennent alors des dipôles sous l'action d'un champ électrique.

Le champ électrique tire des charges positives, qui entrent dans la composition d'une molécule (par exemple, un noyau), dans une direction, et des charges négatives dans l'autre et, en les écartant, crée des dipôles.

De tels dipôles sont appelés élastiques - le champ les étire comme un ressort. Le comportement d'un diélectrique à molécules non polaires diffère peu du comportement d'un diélectrique à molécules polaires, et nous supposerons que les molécules diélectriques sont des dipôles.

Si un morceau de diélectrique est placé dans un champ électrique, c'est-à-dire qu'un corps chargé électriquement est amené au diélectrique, qui a, par exemple, un engrenage positif, les ions négatifs des molécules dipolaires seront attirés par cette charge, et le les ions positifs seront repoussés. Par conséquent, les molécules dipolaires tourneront. Cette rotation est appelée orientation.

L'orientation ne représente pas une rotation complète de toutes les molécules diélectriques. Une molécule prise au hasard à un instant donné peut se retrouver face au champ, et seul un nombre moyen de molécules ont une faible orientation vers le champ (ie, plus de molécules font face au champ que dans la direction opposée).

L'orientation est entravée par le mouvement thermique - les vibrations chaotiques des molécules autour de leurs positions d'équilibre. Plus la température est basse, plus l'orientation des molécules provoquée par un champ donné est forte. D'autre part, à une température donnée l'orientation est naturellement d'autant plus forte que le champ est présent.

Polarisation diélectrique

Du fait de l'orientation des molécules diélectriques sur la surface faisant face à la charge positive, les extrémités négatives des molécules dipolaires apparaissent, et les positives sur la surface opposée.

Sur les surfaces du diélectrique, charges électriques… Ces charges sont appelées charges de polarisation et leur apparition est appelée processus de polarisation diélectrique.

Comme il ressort de ce qui précède, la polarisation, selon le type de diélectrique, peut être d'orientation (les molécules dipôles prêtes à l'emploi sont orientées) et de déformation ou de polarisation de déplacement électronique (les molécules dans un champ électrique sont déformées et deviennent des dipôles).

La question peut se poser pourquoi les charges de polarisation se forment uniquement sur les surfaces du diélectrique et non à l'intérieur de celui-ci ? Cela s'explique par le fait qu'à l'intérieur du diélectrique, les extrémités positives et négatives des molécules dipolaires s'annulent simplement. La compensation ne sera absente qu'aux surfaces d'un diélectrique ou à l'interface entre deux diélectriques, ainsi que dans un diélectrique inhomogène.

Si le diélectrique est polarisé, cela ne signifie pas qu'il est chargé, c'est-à-dire qu'il a une charge électrique totale. Avec la polarisation, la charge totale du diélectrique ne change pas. Cependant, une charge peut être conférée à un diélectrique en lui transférant un certain nombre d'électrons de l'extérieur ou en prenant un certain nombre de ses propres électrons. Dans le premier cas, le diélectrique sera chargé négativement et dans le second - chargé positivement.

Une telle électrification peut être produite, par exemple, par par frottement… Si vous frottez une tige de verre sur de la soie, alors la tige et la soie seront chargées de charges opposées (verre - positif, soie - négatif).Dans ce cas, un certain nombre d'électrons seront sélectionnés dans la tige de verre (une très petite fraction du nombre total d'électrons appartenant à tous les atomes de la tige de verre).

Donc, dans les métaux et autres conducteurs (par exemple les électrolytes) les charges peuvent se déplacer librement dans le corps. Les diélectriques, en revanche, ne sont pas conducteurs et les charges ne peuvent pas se déplacer sur des distances macroscopiques (c'est-à-dire grandes par rapport à la taille des atomes et des molécules). Dans un champ électrique, le diélectrique est uniquement polarisé.

Polarisation diélectrique à une intensité de champ qui ne dépasse pas certaines valeurs pour un matériau donné est proportionnelle à l'intensité du champ.

Cependant, à mesure que la tension augmente, les forces internes qui lient les particules élémentaires de signes différents dans les molécules deviennent insuffisantes pour maintenir ces particules dans les molécules. Ensuite, les électrons sont éjectés des molécules, la molécule est ionisée et le diélectrique perd ses propriétés isolantes - un claquage diélectrique se produit.

La valeur de l'intensité du champ électrique à laquelle commence le claquage diélectrique est appelée gradient de claquage, ou résistance diélectrique.