Диелектрици в електрическо поле

Всички вещества, известни на човечеството, са способни да провеждат електрически ток в различна степен: някои провеждат тока по -добре, други по -лошо, други почти не го провеждат. Според тази способност веществата са разделени на три основни класа:

• Диелектрици;

• Полупроводници;

• Диригенти.

Идеалният диелектрик не съдържа заряди, способни да се движат на значителни разстояния, тоест няма свободни заряди в идеален диелектрик. Въпреки това, когато бъде поставен във външно електростатично поле, диелектрикът реагира на него. Настъпва диелектрична поляризация, тоест под действието на електрическо поле зарядите в диелектрика се изместват. Това свойство, способността на диелектрика да поляризира, е основното свойство на диелектриците.

И така, поляризацията на диелектриците включва три компонента на поляризуемост:

• Електронни;

• Йонна;

• Дипол (ориентация).

При поляризация зарядите се изместват под действието на електростатично поле. В резултат на това всеки атом или всяка молекула създава електрически момент P.

Зарядите на диполите вътре в диелектрика взаимно се компенсират, но на външните повърхности, съседни на електродите, които служат като източник на електрическото поле, се появяват свързани с повърхността заряди, които имат знак, противоположен на заряда на съответния електрод .

Електростатичното поле на свързаните заряди E ‘винаги е насочено срещу външното електростатично поле E0. Оказва се, че вътре в диелектрика има електрическо поле, равно на E = E0 — E ‘.

Ако тяло, направено от диелектрик под формата на паралелепипед, е поставено в електростатично поле със сила E0, тогава неговият електрически момент може да бъде изчислен по формулата: P = qL = σ’SL = σ’SlCosφ, където σ ‘е повърхностната плътност на свързаните заряди, а φ е ъгълът между повърхността на лице с площ S и нормала към нея.

Освен това, знаейки n — концентрацията на молекули на единица обем на диелектрика и P1 — електрическия момент на една молекула, можем да изчислим стойността на поляризационния вектор, тоест електрическия момент на единица обем на диелектрика.

Замествайки сега обема на паралелепипеда V = SlCos φ, е лесно да се заключи, че повърхностната плътност на поляризационните заряди е числено равна на нормалната компонента на поляризационния вектор в дадена точка на повърхността. Логичното следствие е, че електростатичното поле E ‘, индуцирано в диелектрика, засяга само нормалния компонент на приложеното външно електростатично поле E.

След като изпише електрическия момент на една молекула по отношение на напрежението, поляризуемостта и диелектричната константа на вакуума, поляризационният вектор може да бъде записан като:

Където α е поляризуемостта на една молекула от дадено вещество, а χ = nα е диелектричната чувствителност, макроскопична величина, характеризираща поляризацията на единица обем. Диелектричната чувствителност е безразмерна величина.

По този начин полученото електростатично поле E променя, в сравнение с E0, само нормалния компонент. Тангенциалният компонент на полето (насочен тангенциално към повърхността) не се променя. В резултат на това във векторна форма стойността на получената напрегнатост на полето може да бъде записана:

Стойността на силата на полученото електростатично поле в диелектрика е равна на силата на външното електростатично поле, разделена на диелектричната константа на средата ε:

Диелектричната константа на средата ε = 1 + χ е основната характеристика на диелектрика и показва неговите електрически свойства. Физическият смисъл на тази характеристика е, че тя показва колко пъти силата на полето E в дадена диелектрична среда е по -малка от силата E0 във вакуум:

При преминаване от една среда в друга силата на електростатичното поле рязко се променя и графиката на зависимостта на силата на полето от радиуса на диелектрична топка в среда с диелектрична постоянна ε2, различна от диелектричната константа на топката ε1 отразява това:

Фероелектрици

1920 е годината на откриване на явлението спонтанна поляризация. Групата вещества, податливи на това явление, се нарича фероелектрици или фероелектрици. Явлението се проявява поради факта, че сегнетоелектриците се характеризират с анизотропия на свойствата, при които фероелектрическите прояви могат да се наблюдават само по една от кристалните оси. В изотропните диелектрици всички молекули са поляризирани по един и същи начин. За анизотропни — в различни посоки, поляризационните вектори са различни по посока.

Фероелектриците се отличават с високи стойности на диелектричната константа ε в определен температурен диапазон:

В този случай стойността на ε зависи както от външното електростатично поле E, приложено към пробата, така и от предисторията на пробата. Диелектричната константа и електрическият момент тук нелинейно зависят от силата E, следователно фероелектриците принадлежат към нелинейните диелектрици.

Фероелектриците се характеризират с точката на Кюри, тоест, като се започне от определена температура и по -висока, фероелектричният ефект изчезва. В този случай възниква фазов преход от втори ред, например за бариев титанат, температурата на точката на Кюри е + 133 ° C, за солта на Рошел от -18 ° C до + 24 ° C, за литиев ниобат + 1210 ° C .

Тъй като диелектриците са нелинейно поляризирани, тук се извършва диелектрична хистерезис. Насищането настъпва в точка «а» на графиката. Ec — принудителна сила, Pc — остатъчна поляризация. Кривата на поляризация се нарича контур на хистерезис.

Поради склонността към минимум потенциална енергия, както и поради дефекти, присъщи на тяхната структура, сегнетоелектриците са вътрешно разбити на области. Домените имат различни посоки на поляризация и при липса на външно поле общият им диполен момент е почти нулев.

Под действието на външното поле E, границите на домейните се изместват, а част от областите, поляризирани спрямо полето, спомагат за поляризацията на домейните в посока на полето E.

Ярък пример за такава структура е тетрагоналната модификация на BaTiO3.

В достатъчно силно поле E кристалът става еднодоменен и след изключване на външното поле поляризацията остава (това е остатъчната поляризация Pc).

За да се изравнят обемите на области с противоположен знак, е необходимо да се приложи към пробата външно електростатично поле Eс, принудително поле, в обратна посока.

Електрици

Сред диелектриците има и електрически аналози на постоянни магнити — електроти. Това са такива специални диелектрици, които са в състояние да поддържат поляризацията дълго време дори след изключване на външното електрическо поле.

Пиезоелектрици

В природата има диелектрици, които са поляризирани от механично въздействие върху тях. Кристалът се поляризира от механична деформация. Това явление е известно като пиезоелектричен ефект. Отворен е през 1880 г. от братята Жак и Пиер Кюри.

Изводът е следният. На металните електроди, разположени върху повърхността на пиезоелектрическия кристал, ще възникне потенциална разлика в момента на деформацията на кристала. Ако електродите са затворени от проводник, тогава във веригата ще се появи електрически ток.

Възможен е и обратният пиезоелектричен ефект — поляризацията на кристала води до неговата деформация.Когато се приложи напрежение към електродите, приложени към пиезокристала, се получава механична деформация на кристала; тя ще бъде пропорционална на приложената сила на полето E0. В момента науката познава повече от 1800 вида пиезоелектрици. Всички фероелектрици в полярната фаза проявяват пиезоелектрични свойства.

Пироелектрици

Някои диелектрични кристали се поляризират при нагряване или охлаждане, явление, известно като пироелектричество. Например, единият край на пироелектрическа проба се зарежда отрицателно при нагряване, докато другият е положително зареден. И когато се охлади, краят, който се натовари отрицателно при нагряване, ще се зареди положително, когато се охлади. Очевидно това явление е свързано с промяна в началната поляризация на вещество с промяна в неговата температура.

Всеки пироелектрик има пиезоелектрични свойства, но не всеки пиезоелектрик е пироелектрик. Някои от пироелектриците имат фероелектрични свойства, тоест са способни на спонтанна поляризация.

Електрическо изместване

На границата на две среди с различни стойности на диелектричната константа силата на електростатичното поле Е рязко се променя на мястото на рязко промени в ε.

За да се опростят изчисленията в електростатиката, беше въведен векторът на електрическото изместване или електрическата индукция D.

Тъй като E1ε1 = E2ε2, то E1ε1ε0 = E2ε2ε0, което означава:

Тоест, по време на прехода от една среда в друга, векторът на електрическото изместване остава непроменен, тоест електрическата индукция. Това е ясно показано на фигурата:

За точков заряд във вакуум векторът на електрическото изместване е:

Подобно на магнитния поток за магнитни полета, електростатиката използва потока на вектор на електрическо изместване.

Така че, за еднородно електростатично поле, когато линиите на вектора на електрическото изместване D пресичат областта S под ъгъл α спрямо нормалата, можем да напишем:

Теоремата на Остроградски-Гаус за вектора E ни позволява да получим съответната теорема за вектора D.

И така, теоремата на Остроградски-Гаус за вектора на електрическото изместване D звучи така:

Потокът на вектор D през всяка затворена повърхност се определя само от свободните заряди, а не от всички заряди вътре в обема, ограничен от тази повърхност.

Като пример можем да разгледаме проблем с два безкрайно разширени диелектрика с различен ε и с интерфейс между две среди, проникнат от външно поле Е.

Ако ε2> ε1, тогава като се вземе предвид, че E1n / E2n = ε2 / ε1 и E1t = E2t, тъй като само нормалната компонента на вектора E се променя, се променя само посоката на вектора E.

Получихме закона за пречупване на интензитета на вектора Е.

Законът на пречупване за вектор D е подобен, тъй като D = εε0E и това е илюстрирано на фигурата: