Dielektrik i et elektrisk felt

Alle stoffer, som menneskeheden kender, er i stand til at lede elektrisk strøm i varierende grad: nogle leder strømmen bedre, andre dårligere, andre leder den næsten ikke overhovedet. Ifølge denne evne er stoffer opdelt i tre hovedklasser:

• Dielektriske stoffer;

• Halvledere;

• Dirigenter.

Et ideelt dielektrikum indeholder ingen ladninger, der er i stand til at bevæge sig over betydelige afstande, det vil sige, at der ikke er nogen gratis ladninger i et ideelt dielektrikum. Men når det placeres i et eksternt elektrostatisk felt, reagerer dielektrikumet på det. Dielektrisk polarisering opstår, det vil sige under påvirkning af et elektrisk felt forskydes ladningerne i dielektrikumet. Denne egenskab, et dielektrikums evne til at polarisere, er dielektriskes fundamentale egenskab.

Polariseringen af ​​dielektrikum inkluderer således tre komponenter af polariserbarhed:

• Elektronisk;

• Jonna;

• Dipol (orientering).

Ved polarisering forskydes ladningerne under påvirkning af et elektrostatisk felt. Som et resultat skaber hvert atom eller hvert molekyle et elektrisk moment P.

Ladningerne af dipolerne inde i dielektrikumet kompenseres gensidigt, men på de ydre overflader, der støder op til elektroderne, der tjener som kilden til det elektriske felt, opstår overfladerelaterede ladninger, der har det modsatte fortegn til ladningen af ​​den tilsvarende elektrode.

Det elektrostatiske felt af de tilhørende ladninger E' er altid rettet mod det eksterne elektrostatiske felt E0. Det viser sig, at der inde i dielektrikumet er et elektrisk felt svarende til E = E0 — E '.

Hvis et legeme lavet af et dielektrikum i form af et parallelepipedum placeres i et elektrostatisk felt med styrke E0, så kan dets elektriske moment beregnes med formlen: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, hvor σ' er overfladetætheden af ​​de tilknyttede ladninger, og φ er vinklen mellem overfladen af ​​en flade af området S og normalen til den.

Ved at kende n - koncentrationen af ​​molekyler pr. volumenenhed af dielektrikumet og P1 - det elektriske moment af et molekyle, kan vi desuden beregne værdien af ​​polarisationsvektoren, det vil sige det elektriske moment pr. volumenenhed af dielektrikumet.

Ved nu at erstatte volumenet af parallelepipedummet V = SlCos φ, er det let at konkludere, at overfladedensiteten af ​​polarisationsladninger er numerisk lig med den normale komponent af polarisationsvektoren i et givet punkt på overfladen. Den logiske konsekvens er, at det elektrostatiske felt E' induceret i dielektrikumet kun påvirker den normale komponent af det påførte eksterne elektrostatiske felt E.

Efter at have skrevet det elektriske moment af et molekyle i form af spænding, polariserbarhed og dielektrisk konstant af vakuum, kan polarisationsvektoren skrives som:

Hvor α er polariserbarheden af ​​et molekyle af et givet stof, og χ = nα er den dielektriske følsomhed, en makroskopisk størrelse, der karakteriserer polarisationen pr. volumenenhed. Dielektrisk følsomhed er en dimensionsløs størrelse.

Således ændrer det resulterende elektrostatiske felt E, sammenlignet med E0, kun den normale komponent. Den tangentielle komponent af feltet (rettet tangentielt til overfladen) ændres ikke. Som et resultat, i vektorform, kan værdien af ​​den resulterende feltstyrke skrives:

Værdien af ​​styrken af ​​det resulterende elektrostatiske felt i dielektrikumet er lig med styrken af ​​det eksterne elektrostatiske felt divideret med den dielektriske konstant for mediet ε:

Mediets dielektriske konstant ε = 1 + χ er hovedkarakteristikken for dielektrikumet og angiver dets elektriske egenskaber. Den fysiske betydning af denne karakteristik er, at den viser, hvor mange gange feltstyrken E i et givet dielektrisk medium er mindre end styrken E0 i et vakuum:

Ved overgang fra et medium til et andet ændres styrken af ​​det elektrostatiske felt skarpt, og grafen for afhængigheden af ​​feltstyrken af ​​radius af en dielektrisk kugle i et medium med en dielektrisk konstant ε2 forskellig fra kuglens dielektriske konstant ε1 afspejler dette:

Ferroelektrik

1920 var året for opdagelsen af ​​fænomenet spontan polarisering. Gruppen af ​​stoffer, der er modtagelige for dette fænomen, kaldes ferroelektrik eller ferroelektrik. Fænomenet opstår på grund af det faktum, at ferroelektrik er karakteriseret ved en anisotropi af egenskaber, hvor ferroelektriske fænomener kun kan observeres langs en af ​​krystalakserne. I isotrope dielektrika er alle molekyler polariseret på samme måde.For anisotropisk - i forskellige retninger er polarisationsvektorerne forskellige i retning.

Ferroelektrik er kendetegnet ved høje værdier af dielektricitetskonstanten ε i et bestemt temperaturområde:

I dette tilfælde afhænger værdien af ​​ε af både det eksterne elektrostatiske felt E påført prøven og prøvens historie. Den dielektriske konstant og det elektriske moment afhænger her ikke-lineært af kraften E, derfor hører ferroelektrik til ikke-lineært dielektrikum.

Ferroelektrik er kendetegnet ved Curie-punktet, det vil sige, at startende fra en bestemt temperatur og højere, forsvinder den ferroelektriske effekt. I dette tilfælde sker en faseovergang af anden orden, for eksempel for bariumtitanat er Curie-punktets temperatur + 133 ° C, for Rochelle-salt fra -18 ° C til + 24 ° C, for lithiumniobat + 1210°C.

Da dielektrikum er ikke-lineært polariseret, finder dielektrisk hysterese sted her. Mætning sker ved punkt «a» i grafen. Ec — tvangskraft, Pc — resterende polarisering. Polarisationskurven kaldes hysteresesløjfen.

På grund af tendensen til et potentielt energiminimum såvel som på grund af defekter, der er iboende i deres struktur, er ferroelektrik internt opdelt i domæner. Domænerne har forskellige polarisationsretninger og i fravær af et eksternt felt er deres totale dipolmoment næsten nul.

Under påvirkning af det ydre felt E flyttes grænserne for domænerne, og nogle af regionerne polariserede i forhold til feltet bidrager til polariseringen af ​​domænerne i retning af feltet E.

Et levende eksempel på en sådan struktur er den tetragonale modifikation af BaTiO3.

I et tilstrækkeligt stærkt felt E bliver krystallen enkeltdomæne, og efter at det eksterne felt er slukket, forbliver polarisationen (dette er den resterende polarisering Pc).

For at udligne rumfanget af områder med det modsatte fortegn er det nødvendigt at påføre prøven et eksternt elektrostatisk felt Ec, et tvangsfelt, i den modsatte retning.

Elektrikere

Blandt dielektrikkerne er der elektriske analoger af permanente magneter - elektroder. Disse er sådanne specielle dielektrika, der er i stand til at opretholde polarisering i lang tid, selv efter at det eksterne elektriske felt er slukket.

Piezoelektrik

I naturen er der dielektriske stoffer, der er polariseret ved mekanisk påvirkning på dem. Krystallen er polariseret ved mekanisk deformation. Dette fænomen er kendt som den piezoelektriske effekt. Det blev åbnet i 1880 af brødrene Jacques og Pierre Curie.

Konklusionen er følgende. Ved metalelektroderne placeret på overfladen af ​​den piezoelektriske krystal vil der opstå en potentialforskel i det øjeblik, hvor krystallen deformeres. Hvis elektroderne er lukket af en ledning, vil der opstå en elektrisk strøm i kredsløbet.

Den omvendte piezoelektriske effekt er også mulig — polariseringen af ​​krystallen fører til dens deformation.Når der påføres spænding til elektroderne påført den piezoelektriske krystal, opstår en mekanisk deformation af krystallen; den vil være proportional med den anvendte feltstyrke E0. I øjeblikket kender videnskaben mere end 1800 typer piezoelektrik. Alle ferroelektriske stoffer i den polære fase udviser piezoelektriske egenskaber.

Pyroelektrik

Nogle dielektriske krystaller polariserer, når de opvarmes eller afkøles, et fænomen kendt som pyroelektricitet.For eksempel bliver den ene ende af en pyroelektrisk prøve negativt ladet, når den opvarmes, mens den anden er positivt ladet. Og når den afkøles, vil den ende, der var negativt ladet ved opvarmning, blive positivt ladet, når den afkøles. Det er klart, at dette fænomen er relateret til en ændring i den indledende polarisering af et stof med en ændring i dets temperatur.

Ethvert pyroelektrisk har piezoelektriske egenskaber, men ikke alle piezoelektriske materialer er pyroelektriske. Nogle af pyroelektriske stoffer har ferroelektriske egenskaber, det vil sige, at de er i stand til spontan polarisering.

Elektrisk forskydning

Ved grænsen af ​​to medier med forskellige værdier af dielektricitetskonstanten ændres styrken af ​​det elektrostatiske felt E skarpt på stedet for skarpe ændringer i ε.

For at forenkle beregninger i elektrostatik blev den elektriske forskydningsvektor eller elektrisk induktion D introduceret.

Da E1ε1 = E2ε2, så E1ε1ε0 = E2ε2ε0, hvilket betyder:

Det vil sige, under overgangen fra et miljø til et andet, forbliver den elektriske forskydningsvektor uændret, det vil sige den elektriske induktion. Dette er tydeligt vist på figuren:

For en punktladning i et vakuum er den elektriske forskydningsvektor:

Ligesom magnetisk flux for magnetiske felter bruger elektrostatik fluxen af ​​en elektrisk forskydningsvektor.

Så for et ensartet elektrostatisk felt, når linjerne i den elektriske forskydningsvektor D krydser området S i en vinkel α til normalen, kan vi skrive:

Ostrogradsky-Gauss-sætningen for vektoren E giver os mulighed for at opnå den tilsvarende sætning for vektoren D.

Så Ostrogradsky-Gauss-sætningen for den elektriske forskydningsvektor D lyder således:

Fluxen af ​​vektoren D gennem enhver lukket overflade bestemmes kun af de frie ladninger, ikke af alle ladningerne inde i det volumen, der er afgrænset af den overflade.

Som et eksempel kan vi betragte et problem med to uendeligt udvidede dielektrika med forskellig ε og med en grænseflade mellem to medier gennemtrængt af et eksternt felt E.

Hvis ε2> ε1, så under hensyntagen til, at E1n / E2n = ε2 / ε1 og E1t = E2t, da kun den normale komponent af vektoren E ændres, ændres kun retningen af ​​vektoren E.

Vi opnåede loven om brydning af vektorintensiteten E.

Brydningsloven for en vektor D ligner D = εε0E, og dette er illustreret i figuren: