Διηλεκτρικά σε ηλεκτρικό πεδίο

Όλες οι ουσίες που είναι γνωστές στην ανθρωπότητα είναι ικανές να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα σε διάφορους βαθμούς: άλλες μεταφέρουν το ρεύμα καλύτερα, άλλες χειρότερα, άλλες σχεδόν δεν το μεταφέρουν καθόλου. Σύμφωνα με αυτή την ικανότητα, οι ουσίες χωρίζονται σε τρεις κύριες κατηγορίες:

• Διηλεκτρικά;

• Ημιαγωγοί;

• Μαέστροι.

Ένα ιδανικό διηλεκτρικό δεν περιέχει φορτία ικανά να κινούνται σε σημαντικές αποστάσεις, δηλαδή δεν υπάρχουν δωρεάν φορτίσεις σε ένα ιδανικό διηλεκτρικό. Ωστόσο, όταν τοποθετείται σε εξωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο, το διηλεκτρικό αντιδρά σε αυτό. Εμφανίζεται διηλεκτρική πόλωση, δηλαδή, υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου, τα φορτία στο διηλεκτρικό μετατοπίζονται. Αυτή η ιδιότητα, η ικανότητα ενός διηλεκτρικού να πολώνεται, είναι η θεμελιώδης ιδιότητα των διηλεκτρικών.

Έτσι, η πόλωση των διηλεκτρικών περιλαμβάνει τρία στοιχεία πόλωσης:

• Ηλεκτρονικός;

• Jonna;

• Δίπολο (προσανατολισμός).

Στην πόλωση, τα φορτία μετατοπίζονται υπό τη δράση ενός ηλεκτροστατικού πεδίου. Ως αποτέλεσμα, κάθε άτομο ή κάθε μόριο δημιουργεί μια ηλεκτρική ροπή P.

Τα φορτία των διπόλων μέσα στο διηλεκτρικό αντισταθμίζονται αμοιβαία, αλλά στις εξωτερικές επιφάνειες δίπλα στα ηλεκτρόδια που χρησιμεύουν ως πηγή του ηλεκτρικού πεδίου, εμφανίζονται επιφανειακά φορτία που έχουν το αντίθετο πρόσημο από το φορτίο του αντίστοιχου ηλεκτροδίου.

Το ηλεκτροστατικό πεδίο των σχετικών φορτίων Ε' κατευθύνεται πάντα ενάντια στο εξωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο Ε0. Αποδεικνύεται ότι μέσα στο διηλεκτρικό υπάρχει ένα ηλεκτρικό πεδίο ίσο με E = E0 — E '.

Εάν ένα σώμα κατασκευασμένο από διηλεκτρικό με τη μορφή παραλληλεπίπεδου τοποθετηθεί σε ηλεκτροστατικό πεδίο ισχύος E0, τότε η ηλεκτρική του ροπή μπορεί να υπολογιστεί με τον τύπο: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, όπου σ' είναι η επιφανειακή πυκνότητα των σχετικών φορτίων και φ είναι η γωνία μεταξύ της επιφάνειας μιας όψης περιοχής S και της κανονικής προς αυτήν.

Επιπλέον, γνωρίζοντας το n — τη συγκέντρωση των μορίων ανά μονάδα όγκου του διηλεκτρικού και το P1 — την ηλεκτρική ροπή ενός μορίου, μπορούμε να υπολογίσουμε την τιμή του διανύσματος πόλωσης, δηλαδή την ηλεκτρική ροπή ανά μονάδα όγκου του διηλεκτρικού.

Αντικαθιστώντας τώρα τον όγκο του παραλληλεπίπεδου V = SlCos φ, είναι εύκολο να συμπεράνουμε ότι η επιφανειακή πυκνότητα των φορτίων πόλωσης είναι αριθμητικά ίση με την κανονική συνιστώσα του διανύσματος πόλωσης σε ένα δεδομένο σημείο της επιφάνειας. Η λογική συνέπεια είναι ότι το ηλεκτροστατικό πεδίο Ε' που προκαλείται στο διηλεκτρικό επηρεάζει μόνο την κανονική συνιστώσα του εφαρμοζόμενου εξωτερικού ηλεκτροστατικού πεδίου Ε.

Μετά την εγγραφή της ηλεκτρικής ροπής ενός μορίου ως προς την τάση, την ικανότητα πόλωσης και τη διηλεκτρική σταθερά του κενού, το διάνυσμα πόλωσης μπορεί να γραφτεί ως:

Όπου α είναι η ικανότητα πόλωσης ενός μορίου μιας δεδομένης ουσίας και χ = nα είναι η διηλεκτρική επιδεκτικότητα, μια μακροσκοπική ποσότητα που χαρακτηρίζει την πόλωση ανά μονάδα όγκου. Η διηλεκτρική επιδεκτικότητα είναι μια αδιάστατη ποσότητα.

Έτσι, το προκύπτον ηλεκτροστατικό πεδίο Ε αλλάζει, σε σύγκριση με το Ε0, μόνο την κανονική συνιστώσα. Η εφαπτομενική συνιστώσα του πεδίου (κατευθυνόμενη εφαπτομενικά στην επιφάνεια) δεν αλλάζει. Ως αποτέλεσμα, σε διανυσματική μορφή, η τιμή της έντασης του πεδίου που προκύπτει μπορεί να γραφτεί:

Η τιμή της ισχύος του προκύπτοντος ηλεκτροστατικού πεδίου στο διηλεκτρικό είναι ίση με την ισχύ του εξωτερικού ηλεκτροστατικού πεδίου διαιρούμενη με τη διηλεκτρική σταθερά του μέσου ε:

Η διηλεκτρική σταθερά του μέσου ε = 1 + χ είναι το κύριο χαρακτηριστικό του διηλεκτρικού και δείχνει τις ηλεκτρικές του ιδιότητες. Η φυσική έννοια αυτού του χαρακτηριστικού είναι ότι δείχνει πόσες φορές η ένταση πεδίου E σε ένα δεδομένο διηλεκτρικό μέσο είναι μικρότερη από την ισχύ E0 στο κενό:

Κατά τη μετάβαση από το ένα μέσο στο άλλο, η ισχύς του ηλεκτροστατικού πεδίου αλλάζει απότομα και το γράφημα της εξάρτησης της έντασης πεδίου από την ακτίνα μιας διηλεκτρικής μπάλας σε ένα μέσο με διηλεκτρική σταθερά ε2 διαφορετική από τη διηλεκτρική σταθερά της μπάλας Το ε1 αντικατοπτρίζει αυτό:

Σιδηροηλεκτρικά

Το 1920 ήταν η χρονιά της ανακάλυψης του φαινομένου της αυθόρμητης πόλωσης. Η ομάδα των ουσιών που είναι ευαίσθητες στο φαινόμενο αυτό ονομάζεται σιδηροηλεκτρικά ή σιδηροηλεκτρικά. Το φαινόμενο συμβαίνει λόγω του γεγονότος ότι τα σιδηροηλεκτρικά χαρακτηρίζονται από μια ανισοτροπία ιδιοτήτων, στην οποία τα σιδηροηλεκτρικά φαινόμενα μπορούν να παρατηρηθούν μόνο κατά μήκος ενός από τους άξονες των κρυστάλλων. Στα ισότροπα διηλεκτρικά, όλα τα μόρια πολώνονται με τον ίδιο τρόπο.Για ανισότροπα — σε διαφορετικές κατευθύνσεις, τα διανύσματα πόλωσης είναι διαφορετικά ως προς την κατεύθυνση.

Τα σιδηροηλεκτρικά διακρίνονται από υψηλές τιμές της διηλεκτρικής σταθεράς ε σε ένα συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας:

Στην περίπτωση αυτή, η τιμή του ε εξαρτάται τόσο από το εξωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο Ε που εφαρμόζεται στο δείγμα όσο και από το ιστορικό του δείγματος. Η διηλεκτρική σταθερά και η ηλεκτρική ροπή εδώ εξαρτώνται μη γραμμικά από τη δύναμη Ε, επομένως τα σιδηροηλεκτρικά ανήκουν στα μη γραμμικά διηλεκτρικά.

Τα σιδηροηλεκτρικά χαρακτηρίζονται από το σημείο Κιουρί, δηλαδή ξεκινώντας από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και υψηλότερα, το σιδηροηλεκτρικό φαινόμενο εξαφανίζεται. Σε αυτήν την περίπτωση, συμβαίνει μια μετάβαση φάσης δεύτερης τάξης, για παράδειγμα, για το τιτανικό βάριο, η θερμοκρασία του σημείου Curie είναι + 133 ° C, για το αλάτι Rochelle από -18 ° C έως + 24 ° C, για το νιοβικό λίθιο + 1210 ° C.

Δεδομένου ότι τα διηλεκτρικά είναι μη γραμμικά πολωμένα, εδώ λαμβάνει χώρα διηλεκτρική υστέρηση. Ο κορεσμός εμφανίζεται στο σημείο «α» του γραφήματος. Ec — καταναγκαστική δύναμη, Pc — υπολειπόμενη πόλωση. Η καμπύλη πόλωσης ονομάζεται βρόχος υστέρησης.

Λόγω της τάσης προς ένα ελάχιστο δυναμικής ενέργειας, καθώς και λόγω των εγγενών ελαττωμάτων στη δομή τους, τα σιδηροηλεκτρικά διασπώνται εσωτερικά σε τομείς. Τα πεδία έχουν διαφορετικές κατευθύνσεις πόλωσης και ελλείψει εξωτερικού πεδίου η συνολική διπολική ροπή τους είναι σχεδόν μηδενική.

Κάτω από τη δράση του εξωτερικού πεδίου Ε, τα όρια των περιοχών μετατοπίζονται και ορισμένες από τις περιοχές που πολώνονται σε σχέση με το πεδίο συμβάλλουν στην πόλωση των περιοχών προς την κατεύθυνση του πεδίου Ε.

Ένα ζωντανό παράδειγμα μιας τέτοιας δομής είναι η τετραγωνική τροποποίηση του BaTiO3.

Σε ένα αρκετά ισχυρό πεδίο Ε, ο κρύσταλλος γίνεται μονοτομέας και μετά την απενεργοποίηση του εξωτερικού πεδίου, η πόλωση παραμένει (αυτή είναι η υπολειπόμενη πόλωση Pc).

Για να εξισωθούν οι όγκοι των περιοχών με το αντίθετο πρόσημο, είναι απαραίτητο να εφαρμοστεί στο δείγμα ένα εξωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο Ec, ένα πεδίο καταναγκασμού, προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Ηλεκτρολόγοι

Μεταξύ των διηλεκτρικών, υπάρχουν ηλεκτρικά ανάλογα μόνιμων μαγνητών - ηλεκτροδίων. Αυτά είναι τέτοια ειδικά διηλεκτρικά που είναι σε θέση να διατηρήσουν την πόλωση για μεγάλο χρονικό διάστημα ακόμη και μετά την απενεργοποίηση του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου.

Πιεζοηλεκτρικά

Στη φύση υπάρχουν διηλεκτρικά που πολώνονται από μηχανική πρόσκρουση πάνω τους. Ο κρύσταλλος πολώνεται από μηχανική παραμόρφωση. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Άνοιξε το 1880 από τους αδελφούς Ζακ και Πιερ Κιουρί.

Το συμπέρασμα είναι το εξής. Στα μεταλλικά ηλεκτρόδια που βρίσκονται στην επιφάνεια του πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου, θα υπάρξει διαφορά δυναμικού τη στιγμή της παραμόρφωσης του κρυστάλλου. Εάν τα ηλεκτρόδια είναι κλειστά με ένα καλώδιο, τότε ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα εμφανιστεί στο κύκλωμα.

Το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι επίσης δυνατό — η πόλωση του κρυστάλλου οδηγεί στην παραμόρφωσή του Όταν εφαρμόζεται τάση στα ηλεκτρόδια που εφαρμόζονται στον πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο, εμφανίζεται μια μηχανική παραμόρφωση του κρυστάλλου. θα είναι ανάλογο με την εφαρμοζόμενη ένταση πεδίου E0. Επί του παρόντος, η επιστήμη γνωρίζει περισσότερους από 1800 τύπους πιεζοηλεκτρικών. Όλα τα σιδηροηλεκτρικά στην πολική φάση παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες.

Πυροηλεκτρικά

Μερικοί διηλεκτρικοί κρύσταλλοι πολώνονται όταν θερμαίνονται ή ψύχονται, ένα φαινόμενο γνωστό ως πυροηλεκτρισμός.Για παράδειγμα, το ένα άκρο ενός πυροηλεκτρικού δείγματος φορτίζεται αρνητικά όταν θερμαίνεται, ενώ το άλλο φορτίζεται θετικά. Και όταν κρυώσει, το άκρο που φορτίστηκε αρνητικά όταν θερμανθεί θα γίνει θετικά φορτισμένο όταν κρυώσει. Προφανώς, αυτό το φαινόμενο σχετίζεται με μια αλλαγή στην αρχική πόλωση μιας ουσίας με μια αλλαγή στη θερμοκρασία της.

Κάθε πυροηλεκτρικό έχει πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες, αλλά δεν είναι κάθε πιεζοηλεκτρικό πυροηλεκτρικό. Μερικά από τα πυροηλεκτρικά έχουν σιδηροηλεκτρικές ιδιότητες, δηλαδή είναι ικανά για αυθόρμητη πόλωση.

Ηλεκτρική μετατόπιση

Στο όριο δύο μέσων με διαφορετικές τιμές της διηλεκτρικής σταθεράς, η ισχύς του ηλεκτροστατικού πεδίου Ε αλλάζει απότομα στη θέση των απότομων αλλαγών στο ε.

Για να απλοποιηθούν οι υπολογισμοί στην ηλεκτροστατική, εισήχθη το διάνυσμα ηλεκτρικής μετατόπισης ή ηλεκτρική επαγωγή D.

Αφού E1ε1 = E2ε2, τότε E1ε1ε0 = E2ε2ε0, που σημαίνει:

Δηλαδή, κατά τη μετάβαση από το ένα περιβάλλον στο άλλο, το διάνυσμα ηλεκτρικής μετατόπισης παραμένει αμετάβλητο, δηλαδή η ηλεκτρική επαγωγή. Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα στο σχήμα:

Για ένα σημειακό φορτίο στο κενό, το διάνυσμα ηλεκτρικής μετατόπισης είναι:

Όπως η μαγνητική ροή για τα μαγνητικά πεδία, η ηλεκτροστατική χρησιμοποιεί τη ροή ενός διανύσματος ηλεκτρικής μετατόπισης.

Έτσι, για ένα ομοιόμορφο ηλεκτροστατικό πεδίο, όταν οι γραμμές του διανύσματος ηλεκτρικής μετατόπισης D διασχίζουν την περιοχή S υπό γωνία α προς την κανονική, μπορούμε να γράψουμε:

Το θεώρημα Ostrogradsky-Gauss για το διάνυσμα Ε μας επιτρέπει να αποκτήσουμε το αντίστοιχο θεώρημα για το διάνυσμα D.

Έτσι, το θεώρημα Ostrogradsky-Gauss για το διάνυσμα ηλεκτρικής μετατόπισης D ακούγεται ως εξής:

Η ροή του διανύσματος D σε οποιαδήποτε κλειστή επιφάνεια προσδιορίζεται μόνο από τα ελεύθερα φορτία, όχι από όλα τα φορτία μέσα στον όγκο που οριοθετείται από αυτήν την επιφάνεια.

Ως παράδειγμα, μπορούμε να εξετάσουμε ένα πρόβλημα με δύο άπειρα εκτεταμένα διηλεκτρικά με διαφορετικό ε και με μια διεπαφή μεταξύ δύο μέσων που διεισδύουν από ένα εξωτερικό πεδίο Ε.

Αν ε2> ε1, τότε λαμβάνοντας υπόψη ότι E1n / E2n = ε2 / ε1 και E1t = E2t, αφού μόνο η κανονική συνιστώσα του διανύσματος Ε αλλάζει, αλλάζει μόνο η κατεύθυνση του διανύσματος Ε.

Λάβαμε τον νόμο της διάθλασης της διανυσματικής έντασης Ε.

Ο νόμος της διάθλασης για ένα διάνυσμα D είναι παρόμοιος με το D = εε0E και αυτό φαίνεται στο σχήμα: