Dielektrikai elektriniame lauke

Visos žmonijai žinomos medžiagos gali nevienodu laipsniu pravesti elektros srovę: vienos geriau, kitos prasčiau, kitos beveik nelaidžia. Pagal šį gebėjimą medžiagos skirstomos į tris pagrindines klases:

• Dielektrikai;

• Puslaidininkiai;

• Dirigentai.

Idealus dielektrikas neturi krūvių, galinčių judėti dideliais atstumais, tai yra, idealiame dielektrike nėra laisvų krūvių. Tačiau patekęs į išorinį elektrostatinį lauką dielektrikas į jį reaguoja. Įvyksta dielektrinė poliarizacija, tai yra, veikiant elektriniam laukui, dielektriko krūviai pasislenka. Ši savybė, dielektriko gebėjimas poliarizuotis, yra pagrindinė dielektrikų savybė.

Taigi, dielektrikų poliarizacija apima tris poliarizavimo komponentus:

• Elektroninė;

• Jonna;

• Dipolis (orientacija).

Poliarizacijoje krūviai pasislenka veikiant elektrostatiniam laukui. Dėl to kiekvienas atomas arba kiekviena molekulė sukuria elektrinį momentą P.

Dielektriko viduje esančių dipolių krūviai yra tarpusavyje kompensuojami, tačiau išoriniuose paviršiuose, esančiuose šalia elektrodų, kurie yra elektrinio lauko šaltinis, atsiranda su paviršiumi susiję krūviai, kurie turi priešingą ženklą atitinkamo elektrodo krūviui.

Susijusių krūvių E' elektrostatinis laukas visada nukreiptas prieš išorinį elektrostatinį lauką E0. Pasirodo, dielektriko viduje yra elektrinis laukas, lygus E = E0 — E '.

Jei kūnas, pagamintas iš gretasienio pavidalo dielektriko, patalpinamas į elektrostatinį stiprumo E0 lauką, tai jo elektrinį momentą galima apskaičiuoti pagal formulę: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, kur σ' yra susijusių krūvių paviršiaus tankis, o φ yra kampas tarp S ploto paviršiaus paviršiaus ir jo normaliosios.

Be to, žinant n – molekulių koncentraciją dielektriko tūrio vienete ir P1 – vienos molekulės elektrinį momentą, galime apskaičiuoti poliarizacijos vektoriaus reikšmę, tai yra elektrinį momentą dielektriko tūrio vienetui.

Dabar pakeitus gretasienio tūrį V = SlCos φ, nesunku daryti išvadą, kad poliarizacijos krūvių paviršiaus tankis skaitine prasme yra lygus normaliajai poliarizacijos vektoriaus komponentei tam tikrame paviršiaus taške. Logiška pasekmė yra ta, kad dielektrike indukuotas elektrostatinis laukas E paveikia tik įprastą išorinio elektrostatinio lauko E komponentą.

Užrašę molekulės elektrinį momentą pagal įtampą, poliarizaciją ir vakuumo dielektrinę konstantą, poliarizacijos vektorių galima parašyti taip:

Kur α yra vienos tam tikros medžiagos molekulės poliarizacija, o χ = nα yra dielektrinis jautrumas, makroskopinis dydis, apibūdinantis poliarizaciją tūrio vienetui. Dielektrinis jautrumas yra bematis dydis.

Taigi, susidaręs elektrostatinis laukas E keičiasi, palyginti su E0, tik normalų komponentą. Tangentinis lauko komponentas (nukreiptas liestiniu į paviršių) nesikeičia. Dėl to vektorine forma gauto lauko stiprumo reikšmę galima parašyti:

Susidariusio elektrostatinio lauko stiprio dielektrike reikšmė lygi išorinio elektrostatinio lauko stiprumui, padalytam iš terpės dielektrinės konstantos ε:

Terpės dielektrinė konstanta ε = 1 + χ yra pagrindinė dielektriko charakteristika ir parodo jo elektrines savybes. Šios charakteristikos fizinė reikšmė yra ta, kad ji parodo, kiek kartų lauko stipris E tam tikroje dielektrinėje terpėje yra mažesnis už stiprumą E0 vakuume:

Pereinant iš vienos terpės į kitą, elektrostatinio lauko stiprumas staigiai pasikeičia, o lauko stiprumo priklausomybės nuo dielektrinio rutulio spindulio grafikas terpėje, kurios dielektrinė konstanta ε2 skiriasi nuo rutulio dielektrinės konstantos. ε1 atspindi tai:

Ferroelektrikai

1920-ieji buvo spontaniškos poliarizacijos reiškinio atradimo metai. Šiam reiškiniui jautrių medžiagų grupė vadinama feroelektrika arba feroelektrika. Reiškinys atsiranda dėl to, kad feroelektrikai būdinga savybių anizotropija, kai feroelektrinius reiškinius galima stebėti tik vienoje iš kristalų ašių. Izotropiniuose dielektrikuose visos molekulės poliarizuojamos vienodai.Anizotropiniam - skirtingomis kryptimis poliarizacijos vektoriai skiriasi kryptimis.

Feroelektrikai išsiskiria didelėmis dielektrinės konstantos ε reikšmėmis tam tikrame temperatūros diapazone:

Šiuo atveju ε reikšmė priklauso ir nuo išorinio elektrostatinio lauko E, taikomo mėginiui, ir nuo mėginio istorijos. Dielektrinė konstanta ir elektrinis momentas čia netiesiškai priklauso nuo jėgos E, todėl feroelektrikai priklauso netiesiniams dielektrikams.

Feroelektrikams būdingas Curie taškas, tai yra, pradedant nuo tam tikros temperatūros ir aukštesnės, feroelektrinis efektas išnyksta. Tokiu atveju įvyksta antrosios eilės fazinis perėjimas, pavyzdžiui, bario titanatui Curie taško temperatūra yra + 133 ° C, Rošelio druskai - nuo -18 ° C iki + 24 ° C, ličio niobatui + 1210°C.

Kadangi dielektrikai yra netiesiškai poliarizuoti, čia vyksta dielektrinė histerezė. Prisotinimas atsiranda grafiko taške «a». Ec — prievartinė jėga, Pc — liekamoji poliarizacija. Poliarizacijos kreivė vadinama histerezės kilpa.

Dėl tendencijos į potencialų energijos minimumą, taip pat dėl ​​jų struktūrai būdingų defektų, feroelektrikai viduje suskaidomi į sritis. Domenai turi skirtingas poliarizacijos kryptis ir, jei nėra išorinio lauko, jų bendras dipolio momentas yra beveik lygus nuliui.

Veikiant išoriniam laukui E, sričių ribos pasislenka, o kai kurios lauko atžvilgiu poliarizuotos sritys prisideda prie domenų poliarizacijos lauko E kryptimi.

Ryškus tokios struktūros pavyzdys yra tetragoninė BaTiO3 modifikacija.

Pakankamai stipriame lauke E kristalas tampa viendomeniu, o išjungus išorinį lauką lieka poliarizacija (tai liekamoji poliarizacija Pc).

Norint suvienodinti priešingo ženklo sričių tūrius, mėginiui reikia pritaikyti išorinį elektrostatinį lauką Ec, koercinį lauką priešinga kryptimi.

Elektrikai

Tarp dielektrikų yra nuolatinių magnetų elektriniai analogai - elektrodai. Tai tokie specialūs dielektrikai, kurie gali išlaikyti poliarizaciją ilgą laiką net ir išjungus išorinį elektrinį lauką.

Pjezoelektra

Gamtoje yra dielektrikų, kurie poliarizuojasi dėl mechaninio poveikio. Kristalas poliarizuojamas dėl mechaninės deformacijos. Šis reiškinys žinomas kaip pjezoelektrinis efektas. Jį 1880 metais atidarė broliai Jacques'as ir Pierre'as Curie.

Išvada tokia. Prie metalinių elektrodų, esančių pjezoelektrinio kristalo paviršiuje, kristalo deformacijos momentu atsiras potencialų skirtumas. Jei elektrodai yra uždaryti viela, grandinėje atsiras elektros srovė.

Galimas ir atvirkštinis pjezoelektrinis efektas — kristalo poliarizacija veda prie jo deformacijos.Kai į pjezoelektrinį kristalą įvestus elektrodus veikia įtampa, atsiranda mechaninė kristalo deformacija; jis bus proporcingas taikomam lauko stipriui E0. Šiuo metu mokslas žino daugiau nei 1800 pjezoelektrikų tipų. Visi feroelektrikai polinėje fazėje pasižymi pjezoelektrinėmis savybėmis.

Piroelektra

Kai kurie dielektriniai kristalai poliarizuojasi kaitinant arba aušinant – tai reiškinys, žinomas kaip piroelektra.Pavyzdžiui, vienas piroelektrinio mėginio galas kaitinant įkraunamas neigiamai, o kitas – teigiamai. O kai jis atvės, galas, kuris kaitinant buvo neigiamai įkrautas, vėsdamas taps teigiamai įkrautas. Akivaizdu, kad šis reiškinys yra susijęs su pradinės medžiagos poliarizacijos pasikeitimu, pasikeitus jos temperatūrai.

Kiekvienas piroelektrinis turi pjezoelektrinės savybės, bet ne kiekvienas pjezoelektrinis yra piroelektrinis. Kai kurie piroelektriniai gaminiai turi feroelektrines savybes, tai yra, jie gali spontaniškai poliarizuotis.

Elektrinis poslinkis

Dviejų terpių, turinčių skirtingas dielektrinės konstantos vertes, ribos elektrostatinio lauko E stiprumas smarkiai pasikeičia staigių ε pokyčių vietoje.

Siekiant supaprastinti elektrostatikos skaičiavimus, buvo įvestas elektrinio poslinkio vektorius arba elektrinė indukcija D.

Kadangi E1ε1 = E2ε2, tada E1ε1ε0 = E2ε2ε0, o tai reiškia:

Tai yra, pereinant iš vienos aplinkos į kitą, elektrinio poslinkio vektorius išlieka nepakitęs, tai yra, elektrinė indukcija. Tai aiškiai parodyta paveikslėlyje:

Taškinio krūvio vakuume elektrinio poslinkio vektorius yra:

Kaip ir magnetinis srautas magnetiniams laukams, elektrostatika naudoja elektrinio poslinkio vektoriaus srautą.

Taigi, vienodam elektrostatiniam laukui, kai elektrinio poslinkio vektoriaus D linijos kerta sritį S kampu α į normalų, galime parašyti:

Ostrogradskio-Gauso teorema vektoriui E leidžia gauti atitinkamą teoremą vektoriui D.

Taigi elektros poslinkio vektoriaus D Ostrogradskio-Gausso teorema skamba taip:

Vektoriaus D srautą per bet kurį uždarą paviršių lemia tik laisvieji krūviai, o ne visi krūviai, esantys to paviršiaus apribotame tūryje.

Kaip pavyzdį galime apsvarstyti problemą, susijusią su dviem be galo išplėstais dielektrikais, kurių ε skiriasi, ir su sąsaja tarp dviejų terpių, prasiskverbusių išorinio lauko E.

Jei ε2> ε1, tai atsižvelgiant į tai, kad E1n / E2n = ε2 / ε1 ir E1t = E2t, kadangi keičiasi tik normalioji vektoriaus E dedamoji, keičiasi tik vektoriaus E kryptis.

Gavome vektoriaus intensyvumo E lūžio dėsnį.

Vektoriaus D lūžio dėsnis yra panašus į D = εε0E ir tai parodyta paveikslėlyje: