Dielektrika v elektrickom poli

Všetky látky, ktoré ľudstvo pozná, sú schopné viesť elektrický prúd v rôznej miere: niektoré vedú prúd lepšie, iné horšie, iné ho nevedú takmer vôbec. Podľa tejto schopnosti sú látky rozdelené do troch hlavných tried:

• Dielektriká;

• Polovodiče;

• Dirigenti.

Ideálne dielektrikum neobsahuje žiadne náboje schopné pohybu na veľké vzdialenosti, to znamená, že v ideálnom dielektriku nie sú žiadne voľné náboje. Keď sa však umiestni do vonkajšieho elektrostatického poľa, dielektrikum naň reaguje. Dochádza k polarizácii dielektrika, to znamená, že pôsobením elektrického poľa sa náboje v dielektriku premiestnia. Táto vlastnosť, schopnosť dielektrika polarizovať, je základnou vlastnosťou dielektrika.

Polarizácia dielektrika teda zahŕňa tri zložky polarizovateľnosti:

• Elektronické;

• Jonna;

• Dipól (orientácia).

Pri polarizácii sú náboje premiestnené pôsobením elektrostatického poľa. Výsledkom je, že každý atóm alebo každá molekula vytvára elektrický moment P.

Náboje dipólov vo vnútri dielektrika sú vzájomne kompenzované, ale na vonkajších povrchoch priľahlých k elektródam, ktoré slúžia ako zdroj elektrického poľa, sa objavujú povrchové náboje, ktoré majú opačné znamienko ako náboj zodpovedajúcej elektródy.

Elektrostatické pole pridružených nábojov E' je vždy nasmerované proti vonkajšiemu elektrostatickému poľu E0. Ukazuje sa, že vo vnútri dielektrika je elektrické pole rovné E = E0 — E '.

Ak je teleso vyrobené z dielektrika vo forme rovnobežnostena umiestnené v elektrostatickom poli o sile E0, potom jeho elektrický moment možno vypočítať podľa vzorca: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, kde σ' je povrchová hustota súvisiacich nábojov a φ je uhol medzi povrchom plochy plochy S a normálou k nej.

Okrem toho, keď poznáme n - koncentráciu molekúl na jednotku objemu dielektrika a P1 - elektrický moment jednej molekuly, môžeme vypočítať hodnotu polarizačného vektora, to znamená elektrický moment na jednotku objemu dielektrika.

Ak teraz nahradíme objem rovnobežnostena V = SlCos φ, je ľahké dospieť k záveru, že povrchová hustota polarizačných nábojov sa číselne rovná normálnej zložke polarizačného vektora v danom bode na povrchu. Logickým dôsledkom je, že elektrostatické pole E' indukované v dielektriku ovplyvňuje iba normálnu zložku aplikovaného vonkajšieho elektrostatického poľa E.

Po zapísaní elektrického momentu molekuly z hľadiska napätia, polarizovateľnosti a dielektrickej konštanty vákua možno polarizačný vektor zapísať ako:

Kde α je polarizovateľnosť jednej molekuly danej látky a χ = nα je dielektrická susceptibilita, makroskopická veličina charakterizujúca polarizáciu na jednotku objemu. Dielektrická susceptibilita je bezrozmerná veličina.

Výsledné elektrostatické pole E teda mení oproti E0 len normálnu zložku. Tangenciálna zložka poľa (nasmerovaná tangenciálne k povrchu) sa nemení. Výsledkom je, že vo vektorovej forme možno zapísať hodnotu výslednej intenzity poľa:

Hodnota intenzity výsledného elektrostatického poľa v dielektriku sa rovná sile vonkajšieho elektrostatického poľa delenej dielektrickou konštantou média ε:

Dielektrická konštanta média ε = 1 + χ je hlavnou charakteristikou dielektrika a udáva jeho elektrické vlastnosti. Fyzikálny význam tejto charakteristiky je, že ukazuje, koľkokrát je intenzita poľa E v danom dielektrickom médiu menšia ako sila E0 vo vákuu:

Pri prechode z jedného prostredia do druhého sa intenzita elektrostatického poľa prudko mení a graf závislosti intenzity poľa od polomeru dielektrickej gule v prostredí s dielektrickou konštantou ε2 odlišnou od dielektrickej konštanty gule ε1 odráža toto:

Feroelektrika

Rok 1920 bol rokom objavenia fenoménu spontánnej polarizácie. Skupina látok náchylných na tento jav sa nazýva feroelektrika alebo feroelektrika. K javu dochádza v dôsledku skutočnosti, že feroelektriká sa vyznačujú anizotropiou vlastností, pri ktorých možno feroelektrické javy pozorovať iba pozdĺž jednej z osí kryštálov. V izotropných dielektrikách sú všetky molekuly polarizované rovnakým spôsobom.Pre anizotropné - v rôznych smeroch sa polarizačné vektory líšia v smere.

Feroelektrika sa vyznačujú vysokými hodnotami dielektrickej konštanty ε v určitom teplotnom rozsahu:

V tomto prípade hodnota ε závisí od vonkajšieho elektrostatického poľa E aplikovaného na vzorku a od histórie vzorky. Dielektrická konštanta a elektrický moment tu nelineárne závisia od sily E, preto feroelektrika patria k nelineárnym dielektrikám.

Feroelektriká sa vyznačujú Curieovým bodom, to znamená, že od určitej teploty a vyššej feroelektrický efekt zmizne. V tomto prípade dochádza k fázovému prechodu druhého rádu, napríklad pre titaničitan bárnatý je teplota Curieho bodu + 133 ° C, pre Rochellovu soľ od -18 ° C do + 24 ° C, pre niobát lítny + 1210 °C.

Keďže dielektriká sú nelineárne polarizované, dochádza tu k dielektrickej hysteréze. Sýtosť nastáva v bode «a» grafu. Ec — donucovacia sila, Pc — zvyšková polarizácia. Polarizačná krivka sa nazýva hysterézna slučka.

V dôsledku tendencie k minimu potenciálnej energie, ako aj v dôsledku defektov, ktoré sú vlastné ich štruktúre, sú feroelektriká vnútorne rozdelené na domény. Domény majú rôzne smery polarizácie a pri absencii vonkajšieho poľa je ich celkový dipólový moment takmer nulový.

Pôsobením vonkajšieho poľa E sa hranice domén posúvajú a niektoré oblasti polarizované vzhľadom na pole prispievajú k polarizácii domén v smere poľa E.

Živým príkladom takejto štruktúry je tetragonálna modifikácia BaTiO3.

V dostatočne silnom poli E sa kryštál stáva jednodoménový a po vypnutí vonkajšieho poľa polarizácia zostáva (ide o zvyškovú polarizáciu Pc).

Aby sa vyrovnali objemy oblastí s opačným znamienkom, je potrebné aplikovať na vzorku vonkajšie elektrostatické pole Ec, koercitívne pole, v opačnom smere.

Elektrikári

Medzi dielektrikami existujú elektrické analógy permanentných magnetov - elektródy. Sú to také špeciálne dielektriká, ktoré sú schopné dlhodobo udržať polarizáciu aj po vypnutí vonkajšieho elektrického poľa.

Piezoelektrika

V prírode existujú dielektrika, ktoré sú polarizované mechanickým dopadom na ne. Kryštál je polarizovaný mechanickou deformáciou. Tento jav je známy ako piezoelektrický efekt. V roku 1880 ho otvorili bratia Jacques a Pierre Curieovci.

Záver je nasledujúci. Na kovových elektródach umiestnených na povrchu piezoelektrického kryštálu vznikne potenciálny rozdiel v momente deformácie kryštálu. Ak sú elektródy uzavreté drôtom, potom sa v obvode objaví elektrický prúd.

Je možný aj reverzný piezoelektrický efekt — polarizácia kryštálu vedie k jeho deformácii Pri privedení napätia na elektródy privedené na piezoelektrický kryštál dochádza k mechanickej deformácii kryštálu; bude úmerná použitej intenzite poľa E0. V súčasnosti veda pozná viac ako 1800 druhov piezoelektrík. Všetky feroelektriká v polárnej fáze vykazujú piezoelektrické vlastnosti.

Pyroelektrika

Niektoré dielektrické kryštály sa pri zahrievaní alebo ochladzovaní polarizujú, čo je jav známy ako pyroelektrina.Napríklad jeden koniec pyroelektrickej vzorky sa pri zahrievaní nabije záporne, zatiaľ čo druhý koniec je nabitý kladne. A keď sa ochladí, koniec, ktorý bol pri zahriatí nabitý záporne, sa po ochladení nabije kladne. Je zrejmé, že tento jav súvisí so zmenou počiatočnej polarizácie látky so zmenou jej teploty.

Každý pyroelektrický má piezoelektrické vlastnosti, ale nie každé piezoelektrikum je pyroelektrikum. Niektoré z pyroelektrík majú feroelektrické vlastnosti, to znamená, že sú schopné spontánnej polarizácie.

Elektrický posun

Na rozhraní dvoch médií s rôznymi hodnotami dielektrickej konštanty sa v mieste prudkých zmien ε prudko mení sila elektrostatického poľa E.

Pre zjednodušenie výpočtov v elektrostatike bol zavedený vektor elektrického posunu alebo elektrická indukcia D.

Pretože E1ε1 = E2ε2, potom E1ε1ε0 = E2ε2ε0, čo znamená:

To znamená, že pri prechode z jedného prostredia do druhého zostáva vektor elektrického posunu nezmenený, teda elektrická indukcia. To je jasne znázornené na obrázku:

Pre bodový náboj vo vákuu je vektor elektrického posunu:

Podobne ako magnetický tok pre magnetické polia, elektrostatika využíva tok vektora elektrického posunu.

Takže pre rovnomerné elektrostatické pole, keď čiary vektora elektrického posunu D pretínajú oblasť S pod uhlom α k normále, môžeme písať:

Ostrogradského-Gaussova veta pre vektor E nám umožňuje získať zodpovedajúcu vetu pre vektor D.

Takže Ostrogradského-Gaussova veta pre vektor elektrického posunu D znie takto:

Tok vektora D cez akýkoľvek uzavretý povrch je určený iba voľnými nábojmi, nie všetkými nábojmi vo vnútri objemu ohraničeného týmto povrchom.

Ako príklad môžeme uvažovať problém s dvoma nekonečne rozšírenými dielektrikami s rôznym ε a s rozhraním medzi dvoma médiami, pre ktoré preniká vonkajšie pole E.

Ak ε2> ε1, potom ak vezmeme do úvahy, že E1n / E2n = ε2 / ε1 a E1t = E2t, keďže sa mení iba normálová zložka vektora E, mení sa iba smer vektora E.

Získali sme zákon lomu vektorovej intenzity E.

Zákon lomu pre vektor D je podobný ako D = εε0E a je to znázornené na obrázku: