Rozdelenie látok podľa elektrickej vodivostiRozdelenie látok podľa elektrickej vodivosti

Štruktúra látok

Kvôli efektívnosti nášho výkladu nemôžeme presne sledovať historický vývoj poznatkov z elektrostatiky, ale musíme čitateľovi už v úvode "prezradiť" niektoré súčasné poznatky o štruktúre látok a vlastnostiach elektricky nabitých častíc.

Atómy sa skladajú z kladne nabitého jadra, okolo ktorého je obal z elektrónov. Typické rozmery atómov sú 10-10 m. Jadro atómu je veľmi malé v porovnaní s rozmermi atómu. Jeho priemer je asi 1/100 000 priemeru atómu. Zato je v ňom sústredená prakticky všetka hmotnosť atómu. Pri dostatočne veľkej energii častíc (asi milión krát viac ako je energia atómov v plameni) sa pri zrážkach atómových jadier môže narušiť ich vnútorná štruktúra a dochádza k uvoľneniu častíc, z ktorých sa skladá jadro. Sú to kladne nabité jadrá atómu vodíka - "protóny" a elektricky neutrálne, protónom veľmi podobné častice - "neutróny". Protóny a neutróny pre svoju podobnosť zvykneme označovať spoločným názvom "nukleóny". Elektrická odpudivá sila medzi protónmi v jadre je vzhľadom na malé rozmery jadra a ich kladný náboj nesmierne veľká, a keby neexistovala silná príťažlivá sila medzi protónmi a neutrónmi navzájom, atómové jadro by sa samovoľne rozletelo na márne kúsky. Toto v skutočnosti čiastočne aj nastáva pri reťazovej nukleárnej reakcii v atómových bombách a jadrových reaktoroch. (štiepenie jadier)

Neutróny, ktoré sa pri jadrových reakciách niekedy uvoľnia z atómového jadra sú nestabilné a samovoľne sa premieňajú v priebehu niekoľkých desiatok minút na protóny a elektróny. Takáto premena prebieha, podstatne pomalšie, aj v jadrách niektorých ťažkých prvkov s veľkou prevahou neutrónov, čo sa prejavuje ako rádioaktivita beta.

Pri niektorých zrážkach jadier - jadrových reakciách vznikajú častice, ktoré sú navlas podobné elektrónom ale majú opačný t.j. kladný elektrický náboj - "pozitróny". Aj protóny pri dostatočnej energii dokážu vyprodukovať svoju presnú kópiu s opačným elektrickým nábojom - "antiprotón". Pri všetkých takýchto premenách častíc stále platí zákon zachovania celkového elektrického náboja.

V tuhých látkach sa stretávame s veľmi rozmanitou vnútornou štruktúrou.

·        Iónové kryštály sa skladajú z kladne a záporne nabitých iónov, čo sú atómy s deficitom alebo prebytkom elektrónov. Typickým príkladom je kuchynská soľ - NaCl, ktorá obsahuje ióny Na+ a Cl-. Vnútorná súdržnosť látky je určená práve elektrickými silami medzi týmito iónmi.

·        Kovalentné kryštály - diamant, SiC, kde je väzba medzi atómmi  v podstate tiež elektrostatická, ale taká, že vonkajšie elektróny atómov sa nachádzajú väčšinou medzi dvoma atómmi a tým vzniká silná príťažlivá sila medzi kladne nabitým zvyškom atómu a týmito elektrónmi

·        Atomárne a molekulárne kryštály - organické zlúčeniny, väčšina polymérov,

·        Amorfné materiály – sklo a pod. Sú to materiály, ktoré nemajú pravidelnú vnútornú štruktúru 
Vo všetkých týchto látkach sa voľne pohyblivé nabité častice prakticky nevyskytujú.

·        Kovové kryštály - z každého atómu je odtrhnutý jeden až dva elektróny, ktoré sa voľne pohybujú v kryštalickej mriežke kladných iónov.

·        Polovodiče - sú to v podstate kovaletné kryštály, kde už pri bežných teplotách veľmi malá časť atómov stratila svoje elektróny a tieto sa voľne pohybujú po celom kryštáli. (Ge, Si a pod.)

kvapalinách sa obvykle stretávame s týmito dvoma prípadmi

·        Čisté kvapaliny mnohých látok obsahujú iba elektricky neutrálne molekuly. Destilovaná voda, benzín, petrolej, olej a pod. Voľne pohyblivé nabité častice sa v nich nevyskytujú.

·        Kyseliny, zásady, roztoky solí. V tomto prípade dochádza k disociácii molekúl t.j. ich rozpadu na nabité ióny. Napríklad NaCl sa vo vode rozkladá na ióny Na+ a Cl- . Tieto ióny sú v roztoku pohyblivé. V skutočnosti aj v destilovanej vode je nepatrná časť molekúl (asi 10-7) disociovaná na ióny H+  a OH- .

plynoch sú atómy a molekuly navonok elektricky neutrálne. Po zahriatí na vyššie teploty, napríklad v plameni (1000°C a viac) kinetická energia atómov a molekúl je už dostatočná na to, aby pri ich vzájomných zrážkach dochádzalo k narušeniu ich vnútornej štruktúry - "ionizácii", ktorá sa prejavuje vznikom elektricky nabitých častíc. Záporne nabité častice, ktoré dostali názov "elektrón" sú pri všetkých plynoch rovnaké a majú veľmi malú hmotnosť. Kladne nabité častice majú hmotnosť približne rovnú hmotnosti pôvodného atómu alebo molekuly a predstavujú elektricky nabitý zvyšok pôvodného atómu alebo molekuly - "ión".  Pri spätnom procese obnovy pôvodného atómu alebo molekuly - "rekombinácii" iónov s elektrónmi sa prebytočná energia uvoľňuje vo forme elektromagnetického žiarenia, čím dostávame charakteristické spektrá týchto atómov a molekúl. Detailná analýza spektier viedla k určeniu vnútornej štruktúry atómov a molekúl. Ionizáciu molekúl plynu možno dosiahnuť aj dostatočne energetickým žiarením – ultrafialové svetlo, rtg. žiarenie, gama žiarenie, kozmické lúče.

Z hľadiska elektrostatiky je rozhodujúce, či sa v látke nachádzajú voľne pohyblivé náboje. Ak áno, sú to elektricky vodivé materiály - "vodiče". V opačnom prípade sú to elektricky nevodivé materiály - "dielektriká".

Vodiče, elektrostatická indukcia

Obr.8.1.2.2.1

 

Pri vodičoch môžeme pozorovať ešte jeden zaujímavý úkaz. Ak sa s elektricky nabitým predmetom priblížime k jednému koncu dlhého vodiča, tak sa náboje vo vodiči prerozdelia tak, že na strane, kde sa s nábojom približujeme sa objaví opačný elektrický náboj a na druhom konci rovnaký ako náboj, s ktorým sa približujeme. Tomuto javu hovoríme "elektrostatická indukcia", lebo indukujeme - vyvolávame sústredenie nábojov vo vodiči vonkajším účinkom.

Vysvetlenie tohoto javu je pomerne jednoduché. Vodič obsahuje elektrické náboje, ktoré sú vo vzájomnej rovnováhe. Dôležité je, že aspoň jeden typ týchto nábojov sa môže voľne pohybovať. Ak sa teraz priblížime napr. s kladným nábojom q k vodiču, tak tento začne pôsobiť silou na kladné aj záporné náboje vo vodiči. Povedzme, že záporné náboje sa môžu voľne pohybovať. Pod účinkom sily sa budú premiestňovať bližšie k tomu koncu, kde sa v blízkosti nachádza kladný náboj. Na druhej strane vodiča bude deficit záporných nábojov a kladné náboje nebudú mať vo svojom okolí dosť záporných nábojov na ich kompenzáciu. Navonok sa to prejaví prítomnosťou kladného náboja na opačnom konci vodiča. Vo všeobecnosti môžeme povedať, že náboje sa vo vodičoch pohybujú tak, aby kompenzovali účinok vonkajších nábojov pôsobiacich na vodič. To znamená, že sa snažia zatieniť pôsobenie vonkajších síl. Prerozdelenie nábojov vo vodičoch nie je okamžité, ale prebieha s charakteristickým časovým intervalom 10-12 až 10-14 s. Preto to, čo pozorujeme, je už len výsledný ustálený stav a vtedy býva vnútro vodičov prakticky dokonale zatienené pred účinkom vonkajších nábojov. Toto sa využíva na elektrické tienenie citlivých zariadení (niektoré meracie prístroje, vstupné diely rozhlasových a televíznych prijímačov a pod.)

Izolanty – dielektriká

Izolanty - dielektriká predstavujú látky, v ktorých sa elektrické náboje nemôžu voľne pohybovať. To znamená, že podľa toho ako prebiehal proces ich nabíjania, môžeme dostať na ich povrchu nerovnomerné rozloženie elektrického náboja. V skutočnosti aj nevodiče obsahujú kladné a záporné náboje vo svojej vnútornej štruktúre, tieto sú však silne viazané k jednotlivým atómom alebo molekulám. Náboje sa takto môžu len nepatrne vychýliť zo svojich pôvodných polôh, pričom vznikajú intenzívne sily, ktoré sa snažia náboje vrátiť späť do pôvodnej polohy. Aj nepatrné výchylky nábojov z takýchto rovnovážnych polôh však majú za následok vznik elektrických síl vo vnútri látky, ktoré sa kombinujú so silami od vonkajších nábojov. V takom prípade hovoríme, že dochádza k polarizácii dielektrika.

Polovodiče

Zvláštnu skupinu látok tvoria polovodiče. Tieto obsahujú pohyblivé náboje avšak v malej koncentrácii. To má za následok, že za istých podmienok sa správajú ako vodiče v prítomnosti vonkajších nábojov, za iných podmienok ako nevodiče. Prejavuje sa to tiež v dynamickej odozve pohybu vnútorných nábojov ako odpoveď na vonkajšie silové pôsobenie. Toto je však už mimo rozsahu elektrostatiky.