Металлы
Валентные электроны металла слабо связаны со своими атомами. Когда атомы металла, конденсируясь из металлического пара, образуют жидкий или твердый металл, внешние электроны оказываются уже не связанными с отдельными атомами и могут свободно перемещаться по всему телу.
Эти электроны обусловливают хорошо известную значительную проводимость металлов, они так и называются электронами проводимости.
Атомы металла, лишенные своих валентных электронов, т. е. положительные ионы, составляют кристаллическую решетку.
В кристаллической решетке ионы совершают хаотические колебания около своих наложений равновесия, называемых узлами решетки. Эти колебания представляют собой тепловое движение решетки и усиливаются с повышением температуры.
Электроны проводимости в отсутствие электрического поля в металле совершают беспорядочное движение со скоростями порядка тысяч километров в секунду.
При приложении напряжения к металлическому проводнику электроны проводимости, не ослабляя своего хаотического движения, сравнительно медленно сносятся электрическим полем вдоль проводника.
При таком сносе все электроны получают, дополнительно к хаотической скорости, еще к небольшую скорость упорядоченного движения (порядка, например, миллиметров в секунду). Именно это слабое упорядоченное движение к обусловливает электрический ток в проводнике.
Диэлектрики
Совсем иначе обстоит дело в других веществах, которые носят название изоляторов (на языке физики — диэлектриков). В диэлектриках атомы точно так же колеблются вокруг положений равновесия, как и в металлах, но они имеют полный комплект электронов.
Внешние электроны атомов диэлектрика сильно связаны со своими атомами, и разлучить их не так-то просто. Для этого нужно значительно поднять температуру диэлектрика или подвергнуть его какому-нибудь интенсивному облучению, которое смогло бы оторвать электроны от атомов. В обычном же состоянии электронов проводимости в диэлектрике нет, и диэлектрики не пропускают тока.
Большая часть диэлектриков является не атомными, а молекулярными кристаллами или жидкостями. Это значит, что в узлах решетки находятся не атомы, а молекулы.
Многие молекулы состоят из двух групп атомов или просто из двух атомов, один из которых электрически положителен, а другой отрицателен (такие молекулы называются полярными). Например, у молекулы воды положительной частью являются оба атома водорода, а отрицательной — атом кислорода, около которого большую часть времени вращаются электроны водородных атомов.
Два заряда, равные по величине, но противоположные по знаку, находящиеся на очень малом расстоянии друг от друга, называются диполем. Полярные молекулы представляют собой пример диполей.
Если молекулы не состоят из противоположных по заряду ионов (заряженных атомов), т. е. не являются полярными и не приставляют собой диполей, то они становятся диполями под действием электрического поля.
Электрическое поле тянет положительные заряды, входящие а состав молекулы (например, ядра), в одну сторону, а отрицательные — в другую и, раздвигая их, создает диполи.
Такие диполи называются упругими - поле растягивает их, как пружину. Поведение диэлектрика с неполярными молекулами мало отличается от поведения диэлектрика с полярными молекулами, и будем считать, что молекулы диэлектрика являются диполями.
Если кусок диэлектрика поместить в электрическое поле, т. е. поднести к диэлектрику электрически заряженное тело, обладающее, например, положительный нарядом, отрицательные ионы молекул-диполей будут притягиваться к этому заряду, а положительные — отталкиваться. Из-за этого молекулы-диполи будут поворачиваться. Этот поворот называют ориентацией.
Ориентация не представляет собой полного поворота всех молекул диэлектрика. Взятая наугад молекула в данный момент может оказаться повернутой против поля, и только в среднем у большого числа молекул существует слабая ориентация в сторону поля (т. е. больше молекул повернуто в сторону поля, чем в противоположную сторону).
Ориентации препятствует тепловое движение — хаотические колебания молекул вокруг их положений равновесия. Чем ниже температура, тем сильнее ориентация молекул, вызываемая данным полем. С другой стороны, при данной температуре ориентация, естественно, тем сильнее, чем больше поле.
Поляризация диэлектрика
В результате ориентации молекул диэлектрика на поверхность его, обращенную к положительному заряду, выступают отрицательные концы молекул диполей, а на противоположную поверхность — положительные.
На поверхностях диэлектрика образуются электрические заряды. Эти заряды носят название поляризационных, а их возникновение называется процессом поляризации диэлектрика.
Как следует из изложенного выше, поляризация, в зависимости от вида диэлектрика, может быть ориентационной (ориентируются готовые молекулы-диполи) и деформационной или поляризацией электронного смещения (молекулы в электрическом поле деформируются, превращаясь в диполи).
Может возникнуть вопрос, почему поляризационные заряды образуются только на поверхностях диэлектрика, а не внутри его? Объясняется это тем, что внутри диэлектрика положительные и отрицательные концы молекул-диполей как раз компенсируют друг друга. Компенсация будет отсутствовать только на поверхностях диэлектрика или на границе раздела двух диэлектриков, а также в неоднородном диэлектрике.
Если диэлектрик поляризован, то это не значит, что он заряжен, т. е. что он имеет в целом электрический заряд. При поляризации общий заряд диэлектрика не меняется. Однако диэлектрику можно сообщить заряд, перенося на него некоторое количество электронов извне или забирая некоторое число его собственных электронов. В первом случае диэлектрик зарядится отрицательно, а во втором — положительно.
Такую электризацию можно произвести, например, путем трения. Если потереть стеклянную палочку о шелк, то палочка и шелк зарядятся противоположными по знаку зарядами (стекло — положительно, шелк — отрицательно). У стеклянной палочки при этом будет отобрано некоторое число электронов (весьма малая доля общего числа электронов, принадлежащих всем атомам стеклянной палочки).
Итак, в металлах и других проводниках (например, электролитах) заряды могут свободно перемещаться по всему телу. Диэлектрики же не обладают проводимостью и в них заряды не могут перемещаться на макроскопические (т. е. большие по сравнению с размерами атомов и молекул) расстояния. В электрическом поле диэлектрик только поляризуется.
Поляризованность диэлектриков при напряженности поля, не превышающей определенных значений для данного материала пропорциональна напряженности поля.
Однако с ростом напряженности внутренние силы, связывающие элементарные частицы разных знаков в молекулах, становятся уже недостаточными, чтобы удержать эти частицы в пределах молекул. Тогда электроны вырываются из молекул, молекула ионизируется и диэлектрик теряет свои изоляционные свойства — происходит пробой диэлектрика.
Значение напряженности электрического поля, при котором начинается пробой диэлектрика, называется пробивным градиентом, или электрической прочностью диэлектрика.