Dielektriki v električnem polju

Vse snovi, ki jih pozna človeštvo, lahko v različni meri prevajajo električni tok: nekatere prevajajo tok bolje, druge slabše, tretje ga skoraj ne prevajajo. Glede na to sposobnost so snovi razdeljene v tri glavne razrede:

• Dielektriki;

• Polprevodniki;

• Dirigenti.

Idealni dielektrik ne vsebuje nabojev, ki bi se lahko premikali na znatne razdalje, to pomeni, da v idealnem dielektriku ni prostih nabojev. Ko pa ga postavimo v zunanje elektrostatično polje, se dielektrik nanj odzove. Pride do dielektrične polarizacije, to je, da se pod delovanjem električnega polja naboji v dielektriku premaknejo. Ta lastnost, sposobnost dielektrika za polarizacijo, je temeljna lastnost dielektrikov.

Tako polarizacija dielektrikov vključuje tri komponente polarizabilnosti:

• Elektronski;

• Jonna;

• Dipol (usmerjenost).

Pri polarizaciji se naboji premaknejo pod delovanjem elektrostatičnega polja. Posledično vsak atom ali vsaka molekula ustvari električni moment P.

Naboji dipolov znotraj dielektrika so medsebojno kompenzirani, vendar se na zunanjih površinah, ki mejijo na elektrode, ki služijo kot vir električnega polja, pojavijo površinski naboji, ki imajo nasprotni predznak od naboja ustrezne elektrode.

Elektrostatično polje pripadajočih nabojev E' je vedno usmerjeno proti zunanjemu elektrostatičnemu polju E0. Izkazalo se je, da je znotraj dielektrika električno polje, ki je enako E = E0 — E '.

Če telo iz dielektrika v obliki paralelepipeda postavimo v elektrostatično polje jakosti E0, lahko njegov električni moment izračunamo po formuli: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, kjer je σ' površinska gostota pripadajočih nabojev, φ pa je kot med površino ploskve območja S in normalo nanjo.

Poleg tega, če poznamo n - koncentracijo molekul na enoto prostornine dielektrika in P1 - električni moment ene molekule, lahko izračunamo vrednost polarizacijskega vektorja, to je električni moment na enoto prostornine dielektrika.

Če sedaj nadomestimo prostornino paralelepipeda V = SlCos φ, je enostavno sklepati, da je površinska gostota polarizacijskih nabojev numerično enaka normalni komponenti polarizacijskega vektorja na dani točki na površini. Logična posledica je, da elektrostatično polje E', inducirano v dielektriku, vpliva samo na normalno komponento uporabljenega zunanjega elektrostatičnega polja E.

Po zapisu električnega momenta molekule v smislu napetosti, polarizabilnosti in dielektrične konstante vakuuma lahko polarizacijski vektor zapišemo kot:

Kjer je α polarizabilnost ene molekule dane snovi, χ = nα pa je dielektrična občutljivost, makroskopska količina, ki označuje polarizacijo na enoto prostornine. Dielektrična občutljivost je brezdimenzijska količina.

Tako nastalo elektrostatično polje E spremeni v primerjavi z E0 samo normalno komponento. Tangencialna komponenta polja (usmerjena tangencialno na površino) se ne spremeni. Posledično lahko v vektorski obliki zapišemo vrednost nastale poljske jakosti:

Vrednost jakosti nastalega elektrostatičnega polja v dielektriku je enaka jakosti zunanjega elektrostatičnega polja, deljeni z dielektrično konstanto medija ε:

Dielektrična konstanta medija ε = 1 + χ je glavna značilnost dielektrika in označuje njegove električne lastnosti. Fizični pomen te lastnosti je, da pokaže, kolikokrat je poljska jakost E v danem dielektričnem mediju manjša od jakosti E0 v vakuumu:

Pri prehodu iz enega medija v drugega se jakost elektrostatičnega polja močno spremeni in graf odvisnosti poljske jakosti od polmera dielektrične krogle v mediju z dielektrično konstanto ε2, ki se razlikuje od dielektrične konstante krogle ε1 odraža to:

Feroelektriki

Leto 1920 je bilo leto odkritja pojava spontane polarizacije. Skupina snovi, dovzetnih za ta pojav, se imenuje feroelektriki ali feroelektriki. Pojav nastane zaradi dejstva, da je za feroelektrike značilna anizotropija lastnosti, pri kateri lahko feroelektrične pojave opazimo le vzdolž ene od kristalnih osi. V izotropnih dielektrikih so vse molekule polarizirane na enak način.Pri anizotropnih — v različnih smereh so polarizacijski vektorji različno usmerjeni.

Feroelektrike odlikujejo visoke vrednosti dielektrične konstante ε v določenem temperaturnem območju:

V tem primeru je vrednost ε odvisna od zunanjega elektrostatičnega polja E, uporabljenega na vzorcu, in od zgodovine vzorca. Dielektrična konstanta in električni moment sta tu nelinearno odvisna od sile E, zato spadajo feroelektriki med nelinearne dielektrike.

Za feroelektrike je značilna Curiejeva točka, to pomeni, da od določene temperature dalje feroelektrični učinek izgine. V tem primeru pride do faznega prehoda drugega reda, na primer za barijev titanat je temperatura Curiejeve točke + 133 ° C, za sol Rochelle od -18 ° C do + 24 ° C, za litijev niobat + 1210 °C.

Ker so dielektriki nelinearno polarizirani, pride tu do dielektrične histereze. Nasičenost se pojavi v točki «a» grafa. Ec — prisilna sila, Pc — preostala polarizacija. Polarizacijska krivulja se imenuje histerezna zanka.

Zaradi težnje po potencialnem energijskem minimumu, pa tudi zaradi napak v njihovi strukturi, so feroelektriki notranje razdeljeni na domene. Domene imajo različne smeri polarizacije in v odsotnosti zunanjega polja je njihov skupni dipolni moment skoraj enak nič.

Pod delovanjem zunanjega polja E se meje domen premaknejo in nekatera področja, polarizirana glede na polje, prispevajo k polarizaciji domen v smeri polja E.

Živahen primer takšne strukture je tetragonalna modifikacija BaTiO3.

V dovolj močnem polju E postane kristal enodomenski, po izklopu zunanjega polja pa ostane polarizacija (to je rezidualna polarizacija Pc).

Da bi izenačili prostornine regij z nasprotnim predznakom, je treba na vzorec uporabiti zunanje elektrostatično polje Ec, koercitivno polje, v nasprotni smeri.

Električarji

Med dielektriki obstajajo električni analogi trajnih magnetov - elektrode. To so takšni posebni dielektriki, ki lahko dolgo časa vzdržujejo polarizacijo tudi po izklopu zunanjega električnega polja.

Piezoelektriki

V naravi obstajajo dielektriki, ki so polarizirani z mehanskim vplivom nanje. Kristal je polariziran z mehansko deformacijo. Ta pojav je znan kot piezoelektrični učinek. Leta 1880 sta ga odprla brata Jacques in Pierre Curie.

Zaključek je naslednji. Na kovinskih elektrodah, ki se nahajajo na površini piezoelektričnega kristala, se bo v trenutku deformacije kristala pojavila potencialna razlika. Če so elektrode zaprte z žico, se bo v tokokrogu pojavil električni tok.

Možen je tudi povratni piezoelektrični učinek - polarizacija kristala vodi do njegove deformacije.Ko se na elektrode, ki se nanesejo na piezoelektrični kristal, dovaja napetost, pride do mehanske deformacije kristala; sorazmeren bo z uporabljeno poljsko jakostjo E0. Trenutno znanost pozna več kot 1800 vrst piezoelektrikov. Vsi feroelektriki v polarni fazi kažejo piezoelektrične lastnosti.

Piroelektriki

Nekateri dielektrični kristali se pri segrevanju ali ohlajanju polarizirajo, kar je pojav, znan kot piroelektričnost.Na primer, en konec piroelektričnega vzorca pri segrevanju postane negativno nabit, medtem ko je drugi pozitivno nabit. In ko se ohladi, bo konec, ki je bil ob segrevanju negativno nabit, ko se ohladi, postal pozitivno nabit. Očitno je ta pojav povezan s spremembo začetne polarizacije snovi s spremembo njene temperature.

Vsak piroelektričen ima piezoelektrične lastnosti, vendar ni vsak piezoelektrik piroelektrik. Nekateri piroelektriki imajo feroelektrične lastnosti, kar pomeni, da so sposobni spontane polarizacije.

Električni premik

Na meji dveh medijev z različnimi vrednostmi dielektrične konstante se moč elektrostatičnega polja E močno spremeni na mestu ostrih sprememb ε.

Za poenostavitev izračunov v elektrostatiki je bil uveden vektor električnega pomika ali električna indukcija D.

Ker je E1ε1 = E2ε2, potem je E1ε1ε0 = E2ε2ε0, kar pomeni:

To pomeni, da pri prehodu iz enega okolja v drugo vektor električnega premika ostane nespremenjen, to je električna indukcija. To je jasno prikazano na sliki:

Za točkovni naboj v vakuumu je vektor električnega premika:

Tako kot magnetni tok za magnetna polja tudi elektrostatika uporablja tok vektorja električnega premika.

Torej, za enakomerno elektrostatično polje, ko črte vektorja električnega premika D prečkajo območje S pod kotom α na normalo, lahko zapišemo:

Ostrogradsky-Gaussov izrek za vektor E nam omogoča, da dobimo ustrezen izrek za vektor D.

Torej, Ostrogradsky-Gaussov izrek za vektor električnega premika D zveni takole:

Tok vektorja D skozi katero koli zaprto površino določajo samo prosti naboji, ne pa vsi naboji znotraj prostornine, ki jo omejuje ta površina.

Kot primer lahko obravnavamo problem z dvema neskončno raztegnjenima dielektrikoma z različnim ε in z vmesnikom med dvema medijema, skozi katerega prodira zunanje polje E.

Če je ε2> ε1, potem ob upoštevanju, da je E1n / E2n = ε2 / ε1 in E1t = E2t, ker se spremeni samo normalna komponenta vektorja E, se spremeni samo smer vektorja E.

Dobili smo lomni zakon vektorske jakosti E.

Lomni zakon za vektor D je podoben kot D = εε0E in to je prikazano na sliki: