діелектрики в електричному полі: поляризація діелектриків

Всі відомі людству речовини здатні проводити електричний струм в різному ступені: якісь краще проводять струм, якісь – гірше, інші – майже не проводять. Відповідно до цієї здатністю, речовини діляться на три основні класи:

  • діелектрики;
  • напівпровідники;
  • Провідники.

Ідеальний діелектрик не містить в собі зарядів, здатних до переміщення на значні відстані, тобто вільних зарядів в ідеальному діелектрику немає. Однак, поміщений під зовнішнє електростатичне поле, діелектрик реагує на нього. Відбувається поляризація діелектрика, тобто під дією електричного поля, заряди в діелектрику зміщуються. Це властивість, здатність діелектрика до поляризації, є головною властивістю діелектриків.

Так, здатність до поляризації діелектриків включає три складові поляризуемости:

  • Електронна;
  • іонна;
  • Дипольна (орієнтаційна).

поляризованість діелектриків

При поляризації відбувається зміщення зарядів під дією електростатичного поля. У підсумку, кожен атом або кожна молекула створює електричний момент P.
зміщення зарядів
Заряди диполів всередині діелектрика взаємно компенсують один одного, проте на зовнішніх поверхнях, які прилягають до електродів, що служить джерелом електричного поля, з’являються поверхнево зв’язані заряди, що мають протилежний заряду відповідного електрода знак.
Заряди диполів всередині діелектрика взаємно компенсують один одного

Електростатичне поле зв’язаних зарядів E ‘завжди направлено протилежно зовнішньому електростатичного поля E0. Виходить, що всередині діелектрика є електричне поле, рівне E = E0 – E ‘.
Діелектрики в електричному полі
Якщо тіло з діелектрика у формі паралелепіпеда поміщено в електростатичне поле напруженістю E0, то його електричний момент може бути обчислений за формулою: P = qL = σ’SL = σ’SlCosφ, де σ ‘- поверхнева щільність зв’язаних зарядів, а φ – кут між поверхнею межі площею S і нормаллю до неї.

Далі, знаючи n – концентрацію молекул в одиниці об’єму діелектрика і P1 – електричний момент однієї молекули, можна обчислити значення вектора поляризації, тобто електричний момент одиниці об’єму діелектрика.

Підставивши тепер обсяг паралелепіпеда V = SlCos φ, легко вивести, що поверхнева щільність поляризаційних зарядів чисельно дорівнює нормальної складової вектора поляризації в даній точці поверхні. Логічним наслідком буде те, що індуковане в діелектрику електростатичне поле E ‘впливає лише на нормальну складову напруженості прикладеного зовнішнього електростатичного поля E.

Розписавши електричний момент однієї молекули через напруженість, здатність до поляризації і діелектричну проникність вакууму ε0, вектор поляризації можна записати як:
Де α – поляризованість однієї молекули даної речовини, а χ = nα – діелектрична сприйнятливість – макроскопічна величина, що характеризує поляризацію одиничного обсягу. Діелектрична сприйнятливість – величина безрозмірна.

Таким чином, у результуючого електростатичного поля E змінюється, в порівнянні з E0, лише нормальна компонента. Тангенціальна ж компонента поля (спрямована по дотичній до поверхні) не змінюється. В результаті, в векторній формі значення напруженості результуючого поля можна записати:

Значення напруженості результуючого електростатичного поля в діелектрику одно напруженості зовнішнього електростатичного поля, поділеній на діелектричну проникність середовища ε:

Діелектрична проникність середовища ε = 1 + χ є головною характеристикою діелектрика, і свідчить про його електричні властивості. Фізичний зміст цієї характеристики полягає в тому, що він показує, у скільки разів напруженість E поля всередині даної діелектричної середовища менше, ніж напруженість E0 в вакуумі:

При переході з одного середовища в іншу, напруженість електростатичного поля змінюється стрибком, і графік залежності напруженості поля від радіуса діелектричного кулі, що знаходиться в середовищі з діелектричної проникністю ε2, відмінною від діелектричної проникності кулі ε1, відображає це:
напруженість електростатичного поля змінюється стрибком
сегнетоелектрики

1920 рік став роком відкриття явища спонтанної поляризації. Групу речовин, схильною до цього явища, назвали сегнетоелектриками або ферроелектрікамі. Явище проявляється завдяки тому, що для сегнетоелектриків характерна анізотропія властивостей, при якій сегнетоелектрічеськие прояви можна спостерігати лише вздовж однієї з осей кристала. У ізотропних ж діелектриків все молекули поляризуються однаково. У анізотропних – в різних напрямках вектори поляризації напрямком відрізняються.

Сегнетоелектрики відрізняються високими значеннями діелектричної проникності ε в певному інтервалі температур:

При цьому значення ε залежить як від прикладеного до зразка зовнішнього електростатичного поля E, так і від передісторії зразка. Діелектрична проникність і електричний момент тут нелінійно залежать від напруженості E, тому сегнетоелектрики відносяться до нелінійних діелектриків.

Сегнетоелектриків властива точка Кюрі, тобто починаючи від певної температури і вище, сегнетоелектричних ефект пропадає. При цьому відбувається фазовий перехід другого роду, наприклад для титанату барію температурою точки Кюрі є + 133 ° C, для сегнетової солі від -18 ° C до + 24 ° C, для ниобата літію + 1210 ° C.
Сегнетоелектрики і звичайні діелектрики
Оскільки діелектрики поляризуються нелінійно, тут має місце діелектричний гістерезис. У точці «а» на графіку відбувається насичення. Ec – коерцитивної сила, Pc – залишкова поляризація. Крива поляризації називається петлею гістерезису.
сегнетоелектрики розбиті всередині на домени
Через прагнення до мінімуму потенційної енергії, а також через дефекти, властивих їх структурі, сегнетоелектрики розбиті всередині на домени. Домени мають різне спрямування поляризації, і під час відсутності зовнішнього поля їх сумарний дипольний момент майже дорівнює нулю.

Під дією ж зовнішнього поля E, кордони доменів зміщуються, і частина доменів, поляризованих проти поля допомагає поляризації доменів у напрямку поля E.

Яскравим прикладом такої структури є тетрагональна модифікація BaTiO3.

У досить сильному полі E кристал стає однодоменних, а після виключення зовнішнього поля, поляризація залишається (це і є залишкова поляризація Pc).

Для зрівнювання обсягів доменів протилежного знаку, необхідно прикласти до зразком зовнішнє електростатичне поле Eс, коерцитивності поле, в протилежному напрямку.

Електрети

Зустрічаються серед діелектриків і електричні аналоги постійних магнітів – електрети. Це такі особливі діелектрики, які здатні зберігати поляризацію тривало навіть після відключення зовнішнього електричного поля.

п’єзоелектрики

Є в природі діелектрики, поляризованість при механічному впливі на них. Від механічної деформації кристал поляризується. Це явище відоме як п’єзоелектричний ефект. Він був відкритий в 1880 році братами Жаком і П’єром Кюрі.
п’єзоелектрики
Суть в наступному. На накладених на грані кристала пьезоелектрика металевих електродах, виникне різниця потенціалів в момент здійснення деформації кристала. Якщо електроди будуть замкнуті провідником, то в ланцюзі виникне електричний струм.
поляризація кристала призводить до його деформації
Зворотний п’єзоелектричний ефект також можливий – поляризація кристала призводить до його деформації. При подачі напруги на електроди, прикладені до п’єзокристалами, виникне механічна деформація кристала, вона буде пропорційна напруженості прикладеного поля E0. На даний момент науці відомо понад 1800 видів пьезоелектріков. Все сегнетоелектрики в полярній фазі виявляють п’єзоелектричні властивості.

Піроелектріки

Деякі діелектричні кристали поляризуються при нагріванні або при охолодженні, це явище відоме як піроелектрика. Наприклад, один кінець піроелектричного зразка при нагріванні заряджається негативно, а інший – позитивно. А при охолодженні, той кінець, який став негативно зарядженим при нагріванні, стане позитивно зарядженим при охолодженні. Очевидно, це явище пов’язане зі зміною вихідної поляризації речовини зі зміною його температури.
Класифікація твердих діелектриків
Кожен піроелектрик має п’єзоелектричні властивості, але далеко не кожен п’єзоелектрик є піроелектриком. Деякі з піроелектриків мають сегнетоелектричними властивостями, тобто здатні до спонтанної поляризації.

Електричне зміщення

На кордоні двох середовищ з різними значеннями діелектричної проникності, напруженість електростатичного поля E змінюється стрибком в місці різкої зміни ε.

...
ПОДІЛИТИСЯ: