Dielektrikud elektriväljas

Kõik inimkonnale teadaolevad ained on võimelised juhtima elektrivoolu erineval määral: ühed juhivad voolu paremini, teised halvemini, teised ei juhi seda peaaegu üldse. Selle võime järgi jagunevad ained kolme põhiklassi:

• Dielektrikud;

• pooljuhid;

• Dirigendid.

Ideaalne dielektrik ei sisalda laenguid, mis suudaksid liikuda märkimisväärse vahemaa tagant, st ideaalses dielektrikus pole vabu laenguid. Välisesse elektrostaatilisesse välja asetatuna dielektrik aga reageerib sellele. Toimub dielektriline polarisatsioon, see tähendab, et elektrivälja toimel nihkuvad dielektrikus olevad laengud. See omadus, dielektriku polariseerumisvõime, on dielektrikute põhiomadus.

Seega sisaldab dielektrikute polarisatsioon kolme polariseeritavuse komponenti:

• Elektrooniline;

• Jonna;

• Dipool (orientatsioon).

Polarisatsiooni korral nihkuvad laengud elektrostaatilise välja toimel. Selle tulemusena loob iga aatom või iga molekul elektrimomendi P.

Dielektriku sees olevate dipoolide laengud on vastastikku kompenseeritud, kuid elektrivälja allikaks olevate elektroodide kõrval olevatel välispindadel tekivad pinnaga seotud laengud, mis on vastava elektroodi laengule vastupidise märgiga.

Seotud laengute elektrostaatiline väli E' on alati suunatud välise elektrostaatilise välja E0 vastu. Selgub, et dielektriku sees on elektriväli, mis võrdub E = E0 — E '.

Kui rööptahuka kujul olevast dielektrikust valmistatud keha asetada elektrostaatilisesse tugevusvälja E0, siis saab selle elektrimomendi arvutada valemiga: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, kus σ' on seotud laengute pinnatihedus ja φ on nurk ala S pinna pinna ja selle normaalpinna vahel.

Lisaks, teades n — molekulide kontsentratsiooni dielektriku ruumalaühiku kohta ja P1 — ühe molekuli elektrimomenti, saame arvutada polarisatsioonivektori väärtuse ehk elektrimomendi dielektriku ruumalaühiku kohta.

Asendades nüüd rööptahuka ruumala V = SlCos φ, on lihtne järeldada, et polarisatsioonilaengute pinnatihedus on arvuliselt võrdne polarisatsioonivektori normaalkomponendiga pinna antud punktis. Loogiline tagajärg on see, et dielektrikus indutseeritud elektrostaatiline väli E' mõjutab ainult rakendatud välise elektrostaatilise välja E normaalset komponenti.

Pärast molekuli elektrimomendi kirjutamist pinge, polariseeritavuse ja vaakumi dielektrilise konstandi järgi saab polarisatsioonivektori kirjutada järgmiselt:

Kus α on antud aine ühe molekuli polariseeritavus ja χ = nα on dielektriline vastuvõtlikkus, makroskoopiline suurus, mis iseloomustab polarisatsiooni ruumalaühiku kohta. Dielektriline vastuvõtlikkus on mõõtmeteta suurus.

Seega muutub tekkiv elektrostaatiline väli E võrreldes E0-ga ainult tavakomponenti. Välja tangentsiaalne komponent (suunatud tangentsiaalselt pinnale) ei muutu. Selle tulemusena saab vektorkujul kirjutada saadud väljatugevuse väärtuse:

Saadud elektrostaatilise välja tugevuse väärtus dielektrikus võrdub välise elektrostaatilise välja tugevusega, mis on jagatud keskkonna dielektrilise konstandiga ε:

Söötme dielektriline konstant ε = 1 + χ on dielektriku põhiomadus ja näitab selle elektrilisi omadusi. Selle karakteristiku füüsikaline tähendus on see, et see näitab, mitu korda on väljatugevus E antud dielektrilises keskkonnas väiksem kui tugevus E0 vaakumis:

Ühest keskkonnast teise üleminekul muutub elektrostaatilise välja tugevus järsult ning väljatugevuse sõltuvuse graafik dielektrilise kuuli raadiusest keskkonnas, mille dielektriline konstant ε2 erineb kuuli dielektrilisest konstandist. ε1 peegeldab seda:

Ferroelektrikud

1920. aasta oli spontaanse polarisatsiooni nähtuse avastamise aasta. Sellele nähtusele vastuvõtlikku ainete rühma nimetatakse ferroelektrikuteks või ferroelektrikuteks. Nähtus tuleneb asjaolust, et ferroelektrikuid iseloomustab omaduste anisotroopia, mille puhul ferroelektrilisi nähtusi saab jälgida ainult piki ühte kristalli telgedest. Isotroopsetes dielektrikutes on kõik molekulid polariseeritud ühtemoodi.Anisotroopse puhul — eri suundades on polarisatsioonivektorid erineva suunaga.

Ferroelektrikuid eristavad dielektrilise konstandi ε kõrged väärtused teatud temperatuurivahemikus:

Sel juhul sõltub ε väärtus nii proovile rakendatud välisest elektrostaatilisest väljast E kui ka proovi ajaloost. Dielektriline konstant ja elektrimoment sõltuvad siin mittelineaarselt jõust E, seetõttu kuuluvad ferroelektrikud mittelineaarsete dielektrikute hulka.

Ferroelektrikuid iseloomustab Curie punkt, st alates teatud temperatuurist ja kõrgemast kaob ferroelektriline efekt. Sel juhul toimub teist järku faasiüleminek, näiteks baariumtitanaadi puhul on Curie punkti temperatuur + 133 ° C, Rochelle'i soola puhul -18 ° C kuni + 24 ° C, liitiumniobaadi korral + 1210 °C.

Kuna dielektrikud on mittelineaarselt polariseeritud, toimub siin dielektriline hüsterees. Küllastus toimub graafiku punktis «a». Ec — sundjõud, Pc — jääkpolarisatsioon. Polarisatsioonikõverat nimetatakse hüstereesi ahelaks.

Kalduvuse tõttu potentsiaalse energia miinimumi poole, aga ka nende struktuurile omaste defektide tõttu jagatakse ferroelektrikud seesmiselt domeenideks. Domeenidel on erinevad polarisatsioonisuunad ja välise välja puudumisel on nende summaarne dipoolmoment peaaegu null.

Välise välja E toimel nihkuvad domeenide piirid ja osa välja suhtes polariseeritud piirkondi aitavad kaasa domeenide polariseerumisele välja E suunas.

Sellise struktuuri ilmekas näide on BaTiO3 tetragonaalne modifikatsioon.

Piisavalt tugevas väljas E muutub kristall ühedomeeniliseks ja peale välisvälja väljalülitamist jääb alles polarisatsioon (see on jääkpolarisatsioon Pc).

Vastandmärgiga piirkondade mahtude võrdsustamiseks on vaja proovile rakendada vastassuunalist välist elektrostaatilist välja Ec, sundvälja.

Elektrikud

Dielektrikute hulgas on püsimagnetite elektrilised analoogid - elektroodid. Need on sellised spetsiaalsed dielektrikud, mis suudavad säilitada polarisatsiooni pikka aega ka pärast välise elektrivälja väljalülitamist.

Piesoelektrikud

Looduses leidub dielektrikuid, mis polariseeritakse neile mehaanilise mõju tõttu. Kristall polariseerub mehaanilise deformatsiooni tõttu. Seda nähtust tuntakse piesoelektrilise efektina. Selle avasid 1880. aastal vennad Jacques ja Pierre Curie.

Järeldus on järgmine. Piesoelektrilise kristalli pinnal paiknevatel metallelektroodidel tekib kristalli deformeerumise hetkel potentsiaalide erinevus. Kui elektroodid on juhtmega suletud, ilmub ahelasse elektrivool.

Võimalik on ka pöördpiesoelektriline efekt — kristalli polarisatsioon viib selle deformatsioonini.Piesoelektrilisele kristallile rakendatud elektroodidele pinge rakendamisel tekib kristalli mehaaniline deformatsioon; see on võrdeline rakendatud väljatugevusega E0. Praegu tunneb teadus rohkem kui 1800 piesoelektriku tüüpi. Kõik polaarses faasis olevad ferroelektrikud omavad piesoelektrilisi omadusi.

Püroelektrikud

Mõned dielektrilised kristallid polariseeruvad kuumutamisel või jahutamisel – seda nähtust nimetatakse püroelektriks.Näiteks püroelektrilise proovi üks ots saab kuumutamisel negatiivselt laetud, teine ​​aga positiivselt. Ja kui see jahtub, saab kuumutamisel negatiivselt laetud ots jahtudes positiivselt laetud. Ilmselgelt on see nähtus seotud aine esialgse polarisatsiooni muutumisega koos selle temperatuuri muutumisega.

Igal püroelektril on piesoelektrilised omadused, kuid mitte iga piesoelektrik pole püroelektriline. Mõnel püroelektril on ferroelektrilised omadused, see tähendab, et nad on võimelised spontaanselt polariseeruma.

Elektriline nihe

Kahe erineva dielektrilise konstandi väärtusega keskkonna piiril muutub elektrostaatilise välja E tugevus ε järskude muutuste kohas.

Elektrostaatika arvutuste lihtsustamiseks võeti kasutusele elektriline nihkevektor ehk elektriinduktsioon D.

Kuna E1ε1 = E2ε2, siis E1ε1ε0 = E2ε2ε0, mis tähendab:

See tähendab, et üleminekul ühest keskkonnast teise jääb elektriline nihkevektor muutumatuks, see tähendab elektriinduktsioon. See on selgelt näidatud joonisel:

Vaakumis punktlaengu korral on elektrilise nihke vektor:

Nagu magnetväljade magnetvoog, kasutab elektrostaatika elektrilise nihke vektori voogu.

Seega, ühtlase elektrostaatilise välja korral, kui elektrilise nihkevektori D jooned ületavad piirkonda S nurga α normaalnurgaga, saame kirjutada:

Ostrogradsky-Gaussi teoreem vektori E jaoks võimaldab saada vektori D jaoks vastava teoreemi.

Niisiis, Ostrogradsky-Gaussi teoreem elektrilise nihkevektori D kohta kõlab järgmiselt:

Vektori D voo läbi mis tahes suletud pinna määravad ainult vabad laengud, mitte kõik selle pinnaga piiratud ruumala sees olevad laengud.

Näitena võime käsitleda probleemi kahe erineva ε-ga lõpmatult pikendatud dielektrikuga ja kahe meediumi vahelise liidesega, mida läbib välisväli E.

Kui ε2> ε1, siis võttes arvesse, et E1n / E2n = ε2 / ε1 ja E1t = E2t, kuna muutub ainult vektori E normaalkomponent, muutub ainult vektori E suund.

Saime vektori intensiivsuse E murdumisseaduse.

Vektori D murdumisseadus on sarnane D = εε0E ja seda illustreerib joonis: