Dielektrik dalam medan elektrik

Semua bahan yang diketahui oleh manusia mampu mengalirkan arus elektrik ke tahap yang berbeza-beza: ada yang mengalirkan arus dengan lebih baik, yang lain lebih teruk, yang lain hampir tidak mengalirkannya sama sekali. Mengikut keupayaan ini, bahan dibahagikan kepada tiga kelas utama:

• Dielektrik;

• Semikonduktor;

• Konduktor.

Dielektrik yang ideal tidak mengandungi cas yang mampu bergerak pada jarak yang ketara, iaitu, tiada cas percuma dalam dielektrik yang ideal. Walau bagaimanapun, apabila diletakkan dalam medan elektrostatik luaran, dielektrik bertindak balas kepadanya. Polarisasi dielektrik berlaku, iaitu, di bawah tindakan medan elektrik, cas dalam dielektrik disesarkan. Sifat ini, keupayaan dielektrik untuk polarisasi, adalah sifat asas dielektrik.

Oleh itu, polarisasi dielektrik merangkumi tiga komponen kebolehpolaran:

• elektronik;

• Jonna;

• Dipol (orientasi).

Dalam polarisasi, cas disesarkan di bawah tindakan medan elektrostatik. Akibatnya, setiap atom atau setiap molekul mencipta momen elektrik P.

Caj-caj dipol di dalam dielektrik saling dikompensasikan, tetapi pada permukaan luar yang bersebelahan dengan elektrod yang berfungsi sebagai sumber medan elektrik, cas berkaitan permukaan muncul yang mempunyai tanda yang bertentangan dengan cas elektrod yang sepadan.

Medan elektrostatik bagi cas yang berkaitan E' sentiasa ditujukan kepada medan elektrostatik luaran E0. Ternyata di dalam dielektrik terdapat medan elektrik sama dengan E = E0 — E '.

Jika jasad yang diperbuat daripada dielektrik dalam bentuk selari diletakkan dalam medan elektrostatik kekuatan E0, maka momen elektriknya boleh dikira dengan formula: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, di mana σ' ialah ketumpatan permukaan cas yang berkaitan, dan φ ialah sudut antara permukaan muka kawasan S dan normal kepadanya.

Di samping itu, mengetahui n - kepekatan molekul per unit isipadu dielektrik dan P1 - momen elektrik satu molekul, kita boleh mengira nilai vektor polarisasi, iaitu, momen elektrik per unit isipadu dielektrik.

Menggantikan sekarang isipadu parallelepiped V = SlCos φ, adalah mudah untuk membuat kesimpulan bahawa ketumpatan permukaan cas polarisasi adalah secara berangka sama dengan komponen normal vektor polarisasi pada titik tertentu pada permukaan. Akibat logiknya ialah medan elektrostatik E' yang teraruh dalam dielektrik hanya mempengaruhi komponen biasa medan elektrostatik luaran E yang digunakan.

Selepas menulis momen elektrik molekul dari segi voltan, kebolehpolaran dan pemalar dielektrik vakum, vektor polarisasi boleh ditulis sebagai:

Di mana α ialah kebolehkutuban satu molekul bahan tertentu, dan χ = nα ialah keterdedahan dielektrik, kuantiti makroskopik yang mencirikan polarisasi per unit isipadu. Kerentanan dielektrik ialah kuantiti tanpa dimensi.

Oleh itu, medan elektrostatik E yang terhasil berubah, berbanding dengan E0, hanya komponen biasa. Komponen tangen medan (diarahkan secara tangen ke permukaan) tidak berubah. Akibatnya, dalam bentuk vektor, nilai kekuatan medan yang terhasil boleh ditulis:

Nilai kekuatan medan elektrostatik yang terhasil dalam dielektrik adalah sama dengan kekuatan medan elektrostatik luaran dibahagikan dengan pemalar dielektrik medium ε:

Pemalar dielektrik medium ε = 1 + χ ialah ciri utama dielektrik dan menunjukkan sifat elektriknya. Maksud fizikal ciri ini ialah ia menunjukkan berapa kali kekuatan medan E dalam medium dielektrik tertentu adalah lebih kecil daripada kekuatan E0 dalam vakum:

Apabila melalui satu medium ke medium lain, kekuatan medan elektrostatik berubah dengan mendadak, dan graf pergantungan kekuatan medan pada jejari bola dielektrik dalam medium dengan pemalar dielektrik ε2 berbeza daripada pemalar dielektrik bola ε1 mencerminkan ini:

Ferroelektrik

1920 adalah tahun penemuan fenomena polarisasi spontan. Kumpulan bahan yang mudah terdedah kepada fenomena ini dipanggil ferroelektrik atau ferroelektrik. Fenomena ini berlaku kerana fakta bahawa ferroelektrik dicirikan oleh sifat anisotropi, di mana fenomena ferroelektrik boleh diperhatikan hanya di sepanjang salah satu paksi kristal. Dalam dielektrik isotropik, semua molekul terpolarisasi dengan cara yang sama.Untuk anisotropik - dalam arah yang berbeza, vektor polarisasi adalah berbeza dalam arah.

Ferroelektrik dibezakan oleh nilai tinggi pemalar dielektrik ε dalam julat suhu tertentu:

Dalam kes ini, nilai ε bergantung pada kedua-dua medan elektrostatik luaran E yang digunakan pada sampel dan sejarah sampel. Pemalar dielektrik dan momen elektrik di sini secara tak linear bergantung kepada daya E, oleh itu ferroelektrik tergolong dalam dielektrik tak linear.

Ferroelektrik dicirikan oleh titik Curie, iaitu, bermula dari suhu tertentu dan lebih tinggi, kesan ferroelektrik hilang. Dalam kes ini, peralihan fasa urutan kedua berlaku, contohnya, untuk barium titanate, suhu titik Curie ialah + 133 ° C, untuk garam Rochelle dari -18 ° C hingga + 24 ° C, untuk litium niobate + 1210 ° C.

Oleh kerana dielektrik terkutub bukan linear, histeresis dielektrik berlaku di sini. Ketepuan berlaku pada titik «a» graf. Ec — daya paksaan, Pc — polarisasi sisa. Lengkung polarisasi dipanggil gelung histeresis.

Disebabkan kecenderungan ke arah minimum tenaga berpotensi, serta disebabkan oleh kecacatan yang wujud dalam strukturnya, ferroelektrik secara dalaman dipecahkan kepada domain. Domain mempunyai arah polarisasi yang berbeza dan jika tiada medan luaran, jumlah momen dipol mereka hampir sifar.

Di bawah tindakan medan luar E, sempadan domain dialihkan, dan beberapa kawasan terpolarisasi berkenaan dengan medan menyumbang kepada polarisasi domain ke arah medan E.

Contoh jelas struktur sedemikian ialah pengubahsuaian tetragonal BaTiO3.

Dalam medan E yang cukup kuat, kristal menjadi domain tunggal, dan selepas mematikan medan luaran, polarisasi kekal (ini ialah Pc polarisasi sisa).

Untuk menyamakan isipadu kawasan dengan tanda yang bertentangan, adalah perlu untuk memohon kepada sampel medan elektrostatik luaran Ec, medan paksaan, dalam arah yang bertentangan.

Juruelektrik

Di antara dielektrik, terdapat analog elektrik magnet kekal - elektrod. Ini adalah dielektrik istimewa yang mampu mengekalkan polarisasi untuk masa yang lama walaupun selepas medan elektrik luaran dimatikan.

Piezoelektrik

Secara semula jadi terdapat dielektrik yang terpolarisasi oleh kesan mekanikal pada mereka. Hablur dipolarisasi oleh ubah bentuk mekanikal. Fenomena ini dikenali sebagai kesan piezoelektrik. Ia dibuka pada tahun 1880 oleh saudara Jacques dan Pierre Curie.

Kesimpulannya adalah seperti berikut. Pada elektrod logam yang terletak pada permukaan hablur piezoelektrik, beza keupayaan akan berlaku pada saat ubah bentuk kristal. Jika elektrod ditutup oleh wayar, maka arus elektrik akan muncul dalam litar.

Kesan piezoelektrik terbalik juga mungkin — polarisasi kristal membawa kepada ubah bentuknya. Apabila voltan digunakan pada elektrod yang digunakan pada kristal piezoelektrik, ubah bentuk mekanikal kristal berlaku; ia akan berkadar dengan kekuatan medan yang digunakan E0. Pada masa ini, sains mengetahui lebih daripada 1800 jenis piezoelektrik. Semua ferroelektrik dalam fasa kutub mempamerkan sifat piezoelektrik.

Piroelektrik

Sesetengah kristal dielektrik terkutub apabila dipanaskan atau disejukkan, fenomena yang dikenali sebagai piroelektrik.Sebagai contoh, satu hujung sampel piroelektrik menjadi bercas negatif apabila dipanaskan, manakala satu lagi bercas positif. Dan apabila ia sejuk, hujung yang bercas negatif apabila dipanaskan akan menjadi bercas positif apabila ia sejuk. Jelas sekali, fenomena ini berkaitan dengan perubahan dalam polarisasi awal bahan dengan perubahan suhunya.

Setiap piroelektrik mempunyai sifat piezoelektrik, tetapi bukan setiap piezoelektrik adalah piroelektrik. Sesetengah piroelektrik mempunyai sifat ferroelektrik, iaitu, ia mampu polarisasi spontan.

Anjakan elektrik

Di sempadan dua media dengan nilai pemalar dielektrik yang berbeza, kekuatan medan elektrostatik E berubah secara mendadak di tempat perubahan mendadak dalam ε.

Untuk memudahkan pengiraan dalam elektrostatik, vektor anjakan elektrik atau aruhan elektrik D telah diperkenalkan.

Oleh kerana E1ε1 = E2ε2, maka E1ε1ε0 = E2ε2ε0, yang bermaksud:

Iaitu, semasa peralihan dari satu persekitaran ke persekitaran yang lain, vektor anjakan elektrik kekal tidak berubah, iaitu, aruhan elektrik. Ini jelas ditunjukkan dalam rajah:

Untuk cas titik dalam vakum, vektor anjakan elektrik ialah:

Seperti fluks magnet untuk medan magnet, elektrostatik menggunakan fluks vektor anjakan elektrik.

Jadi, untuk medan elektrostatik seragam, apabila garisan vektor anjakan elektrik D melintasi rantau S pada sudut α kepada normal, kita boleh menulis:

Teorem Ostrogradsky-Gauss untuk vektor E membolehkan kita mendapatkan teorem yang sepadan untuk vektor D.

Jadi, teorem Ostrogradsky-Gauss untuk vektor anjakan elektrik D berbunyi seperti ini:

Fluks vektor D melalui mana-mana permukaan tertutup hanya ditentukan oleh caj percuma, bukan oleh semua caj di dalam isipadu yang dibatasi oleh permukaan itu.

Sebagai contoh, kita boleh mempertimbangkan masalah dengan dua dielektrik lanjutan tak terhingga dengan ε berbeza dan dengan antara muka antara dua media yang ditembusi oleh medan luaran E.

Jika ε2> ε1, maka mengambil kira bahawa E1n / E2n = ε2 / ε1 dan E1t = E2t, kerana hanya komponen normal vektor E berubah, hanya arah vektor E berubah.

Kami memperoleh undang-undang pembiasan keamatan vektor E.

Hukum pembiasan bagi vektor D adalah serupa dengan D = εε0E dan ini digambarkan dalam rajah: