Mga dielectric sa isang electric field

Ang lahat ng mga sangkap na kilala sa sangkatauhan ay may kakayahang magsagawa ng electric current sa iba't ibang antas: ang ilan ay nagsasagawa ng kasalukuyang mas mahusay, ang iba ay mas masahol pa, ang iba ay halos hindi nagsasagawa nito. Ayon sa kakayahang ito, ang mga sangkap ay nahahati sa tatlong pangunahing klase:

• Dielectrics;

• Semiconductor;

• Mga konduktor.

Ang isang perpektong dielectric ay naglalaman ng walang mga singil na may kakayahang lumipat sa makabuluhang mga distansya, iyon ay, walang mga libreng singil sa isang perpektong dielectric. Gayunpaman, kapag inilagay sa isang panlabas na electrostatic field, ang dielectric ay tumutugon dito. Ang dielectric polarization ay nangyayari, iyon ay, sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field, ang mga singil sa dielectric ay inilipat. Ang pag-aari na ito, ang kakayahan ng isang dielectric na mag-polarize, ay ang pangunahing pag-aari ng dielectrics.

Kaya, ang polariseysyon ng dielectrics ay may kasamang tatlong bahagi ng polarizability:

• Electronic;

• Jonna;

• Dipole (orientation).

Sa polariseysyon, ang mga singil ay inilipat sa ilalim ng pagkilos ng isang electrostatic field. Bilang resulta, ang bawat atom o bawat molekula ay lumilikha ng isang electric moment na P.

Ang mga singil ng mga dipoles sa loob ng dielectric ay kapwa nabayaran, ngunit sa mga panlabas na ibabaw na katabi ng mga electrodes na nagsisilbing mapagkukunan ng electric field, lumilitaw ang mga singil na nauugnay sa ibabaw na may kabaligtaran na tanda sa singil ng kaukulang elektrod.

Ang electrostatic field ng mga nauugnay na charge E' ay palaging nakadirekta laban sa external electrostatic field E0. Ito ay lumiliko na sa loob ng dielectric ay mayroong isang electric field na katumbas ng E = E0 — E '.

Kung ang isang katawan na gawa sa isang dielectric sa anyo ng isang parallelepiped ay inilagay sa isang electrostatic field ng lakas E0, kung gayon ang electric moment nito ay maaaring kalkulahin sa pamamagitan ng formula: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, kung saan ang σ' ay ang density ng ibabaw ng mga nauugnay na singil, at ang φ ay ang anggulo sa pagitan ng ibabaw ng isang mukha ng lugar S at ang normal dito.

Bilang karagdagan, ang pag-alam sa n - ang konsentrasyon ng mga molekula sa bawat yunit ng dami ng dielectric at P1 - ang electric moment ng isang molekula, maaari nating kalkulahin ang halaga ng polarization vector, iyon ay, ang electric moment bawat unit volume ng dielectric.

Pinapalitan ngayon ang dami ng parallelepiped V = SlCos φ, madaling tapusin na ang density ng ibabaw ng mga singil sa polarization ay numerong katumbas ng normal na bahagi ng vector ng polariseysyon sa isang naibigay na punto sa ibabaw. Ang lohikal na kahihinatnan ay ang electrostatic field E' na sapilitan sa dielectric ay nakakaapekto lamang sa normal na bahagi ng inilapat na panlabas na electrostatic field E.

Matapos isulat ang electric moment ng isang molekula sa mga tuntunin ng boltahe, polarizability at dielectric constant ng vacuum, ang polarization vector ay maaaring isulat bilang:

Kung saan ang α ay ang polarizability ng isang molekula ng isang partikular na substansiya, at ang χ = nα ay ang dielectric susceptibility, isang macroscopic na dami na nagpapakilala sa polarisasyon sa bawat unit volume. Ang dielectric suceptibility ay isang walang sukat na dami.

Kaya, ang nagresultang electrostatic field E ay nagbabago, kumpara sa E0, ang normal na bahagi lamang. Ang tangential component ng field (nakadirekta nang tangential sa ibabaw) ay hindi nagbabago. Bilang resulta, sa anyo ng vector, ang halaga ng nagresultang lakas ng field ay maaaring isulat:

Ang halaga ng lakas ng nagresultang electrostatic field sa dielectric ay katumbas ng lakas ng panlabas na electrostatic field na hinati ng dielectric constant ng medium ε:

Ang dielectric constant ng medium ε = 1 + χ ay ang pangunahing katangian ng dielectric at nagpapahiwatig ng mga electrical properties nito. Ang pisikal na kahulugan ng katangiang ito ay ipinapakita nito kung gaano karaming beses ang lakas ng field E sa isang partikular na dielectric medium ay mas maliit kaysa sa lakas E0 sa isang vacuum:

Kapag dumadaan mula sa isang daluyan patungo sa isa pa, ang lakas ng electrostatic field ay nagbabago nang husto, at ang graph ng pag-asa ng lakas ng field sa radius ng isang dielectric na bola sa isang daluyan na may dielectric constant na ε2 na naiiba sa dielectric constant ng bola. Sinasalamin ito ng ε1:

Ferroelectrics

Ang 1920 ay ang taon ng pagtuklas ng phenomenon ng spontaneous polarization. Ang pangkat ng mga sangkap na madaling kapitan sa hindi pangkaraniwang bagay na ito ay tinatawag na ferroelectrics o ferroelectrics. Ang kababalaghan ay nangyayari dahil sa ang katunayan na ang ferroelectrics ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang anisotropy ng mga katangian, kung saan ang ferroelectric phenomena ay maaari lamang maobserbahan kasama ang isa sa mga kristal na palakol. Sa isotropic dielectrics, ang lahat ng mga molekula ay polarized sa parehong paraan.Para sa anisotropic - sa iba't ibang direksyon, ang mga polarization vector ay naiiba sa direksyon.

Ang mga ferroelectric ay nakikilala sa pamamagitan ng mataas na halaga ng dielectric na pare-pareho ε sa isang tiyak na hanay ng temperatura:

Sa kasong ito, ang halaga ng ε ay nakasalalay sa parehong panlabas na electrostatic field E na inilapat sa sample at sa kasaysayan ng sample. Ang dielectric constant at electric moment dito ay hindi linear na nakadepende sa puwersa E, samakatuwid ang ferroelectrics ay nabibilang sa nonlinear dielectrics.

Ang ferroelectrics ay nailalarawan sa pamamagitan ng Curie point, iyon ay, simula sa isang tiyak na temperatura at mas mataas, ang ferroelectric effect ay nawawala. Sa kasong ito, ang isang phase transition ng pangalawang order ay nangyayari, halimbawa, para sa barium titanate, ang temperatura ng Curie point ay + 133 ° C, para sa Rochelle salt mula -18 ° C hanggang + 24 ° C, para sa lithium niobate + 1210 ° C.

Dahil ang dielectrics ay nonlinearly polarized, ang dielectric hysteresis ay nagaganap dito. Ang saturation ay nangyayari sa punto «a» ng graph. Ec — mapilit na puwersa, Pc — natitirang polariseysyon. Ang polarization curve ay tinatawag na hysteresis loop.

Dahil sa pagkahilig sa isang potensyal na minimum na enerhiya, pati na rin dahil sa mga depektong likas sa kanilang istraktura, ang mga ferroelectric ay panloob na pinaghiwa-hiwalay sa mga domain. Ang mga domain ay may iba't ibang direksyon ng polarization at sa kawalan ng isang panlabas na field ang kanilang kabuuang dipole moment ay halos zero.

Sa ilalim ng pagkilos ng panlabas na patlang E, ang mga hangganan ng mga domain ay inililipat, at ang ilan sa mga rehiyon na napolarize na may paggalang sa patlang ay nag-aambag sa polariseysyon ng mga domain sa direksyon ng patlang E.

Ang isang matingkad na halimbawa ng naturang istraktura ay ang tetragonal na pagbabago ng BaTiO3.

Sa isang sapat na malakas na field E, ang kristal ay nagiging single-domain, at pagkatapos na patayin ang panlabas na field, nananatili ang polariseysyon (ito ang natitirang polarization Pc).

Upang mapantayan ang mga volume ng mga rehiyon na may kabaligtaran na pag-sign, kinakailangan na mag-aplay sa sample ng isang panlabas na electrostatic field Ec, isang mapilit na field, sa kabaligtaran na direksyon.

Mga electrician

Kabilang sa mga dielectric, mayroong mga de-koryenteng analogue ng permanenteng magnet - mga electrodes. Ang mga ito ay tulad ng mga espesyal na dielectrics na maaaring mapanatili ang polariseysyon sa loob ng mahabang panahon kahit na matapos ang panlabas na electric field ay naka-off.

Piezoelectrics

Sa kalikasan mayroong mga dielectric na polarized ng mekanikal na epekto sa kanila. Ang kristal ay polarized sa pamamagitan ng mekanikal na pagpapapangit. Ang phenomenon na ito ay kilala bilang piezoelectric effect. Binuksan ito noong 1880 ng magkapatid na Jacques at Pierre Curie.

Ang konklusyon ay ang mga sumusunod. Sa mga metal na electrodes na matatagpuan sa ibabaw ng piezoelectric na kristal, ang isang potensyal na pagkakaiba ay magaganap sa sandali ng pagpapapangit ng kristal. Kung ang mga electrodes ay sarado sa pamamagitan ng isang wire, pagkatapos ay isang electric current ay lilitaw sa circuit.

Posible rin ang reverse piezoelectric effect - ang polariseysyon ng kristal ay humahantong sa pagpapapangit nito.Kapag ang boltahe ay inilapat sa mga electrodes na inilapat sa piezoelectric na kristal, ang isang mekanikal na pagpapapangit ng kristal ay nangyayari; magiging proporsyonal ito sa inilapat na lakas ng field E0. Sa kasalukuyan, alam ng agham ang higit sa 1800 uri ng piezoelectrics. Ang lahat ng ferroelectrics sa polar phase ay nagpapakita ng mga katangian ng piezoelectric.

Pyroelectrics

Ang ilang mga dielectric na kristal ay nag-polarize kapag pinainit o pinalamig, isang phenomenon na kilala bilang pyroelectricity.Halimbawa, ang isang dulo ng isang sample ng pyroelectric ay nagiging negatibong sisingilin kapag pinainit, habang ang isa naman ay positibong sisingilin. At kapag ito ay lumamig, ang dulo na negatibong na-charge kapag pinainit ay magiging positibong sisingilin kapag ito ay lumamig. Malinaw, ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nauugnay sa isang pagbabago sa paunang polariseysyon ng isang sangkap na may pagbabago sa temperatura nito.

Ang bawat pyroelectric ay mayroon mga katangian ng piezoelectric, ngunit hindi lahat ng piezoelectric ay isang pyroelectric. Ang ilan sa mga pyroelectric ay may mga katangian ng ferroelectric, iyon ay, sila ay may kakayahang kusang polariseysyon.

Pag-aalis ng kuryente

Sa hangganan ng dalawang media na may magkakaibang mga halaga ng dielectric constant, ang lakas ng electrostatic field E ay nagbabago nang husto sa lugar ng matalim na pagbabago sa ε.

Upang gawing simple ang mga kalkulasyon sa electrostatics, ipinakilala ang electric displacement vector o electric induction D.

Dahil E1ε1 = E2ε2, pagkatapos ay E1ε1ε0 = E2ε2ε0, na nangangahulugang:

Iyon ay, sa panahon ng paglipat mula sa isang kapaligiran patungo sa isa pa, ang electric displacement vector ay nananatiling hindi nagbabago, iyon ay, ang electric induction. Ito ay malinaw na ipinapakita sa figure:

Para sa isang point charge sa isang vacuum, ang electric displacement vector ay:

Tulad ng magnetic flux para sa magnetic field, ginagamit ng electrostatics ang flux ng isang electric displacement vector.

Kaya, para sa isang pare-parehong electrostatic field, kapag ang mga linya ng electric displacement vector D ay tumatawid sa rehiyon S sa isang anggulo α sa normal, maaari nating isulat:

Ang Ostrogradsky-Gauss theorem para sa vector E ay nagpapahintulot sa amin na makuha ang kaukulang theorem para sa vector D.

Kaya, ang Ostrogradsky-Gauss theorem para sa electric displacement vector D ay ganito ang tunog:

Ang flux ng vector D sa pamamagitan ng anumang saradong ibabaw ay tinutukoy lamang ng mga libreng singil, hindi ng lahat ng mga singil sa loob ng volume na nililimitahan ng ibabaw na iyon.

Bilang isang halimbawa, maaari nating isaalang-alang ang isang problema sa dalawang walang katapusang pinalawak na dielectric na may magkaibang ε at may isang interface sa pagitan ng dalawang media na natagos ng isang panlabas na field E.

Kung ε2> ε1, pagkatapos ay isinasaalang-alang na ang E1n / E2n = ε2 / ε1 at E1t = E2t, dahil ang normal na bahagi lamang ng vector E ang nagbabago, ang direksyon lamang ng vector E ang nagbabago.

Nakuha namin ang batas ng repraksyon ng vector intensity E.

Ang batas ng repraksyon para sa isang vector D ay katulad ng D = εε0E at ito ay inilalarawan sa figure: