Dielektrit sähkökentässä

Kaikki ihmiskunnan tuntemat aineet pystyvät johtamaan sähkövirtaa eriasteisesti: toiset johtavat virtaa paremmin, toiset huonommin, toiset tuskin johtavat sitä ollenkaan. Tämän kyvyn mukaan aineet jaetaan kolmeen pääluokkaan:

• Dielektriset;

• Puolijohteet;

• Kapellimestarit.

Ideaalieristeessä ei ole varauksia, jotka voivat liikkua merkittäviä matkoja, eli ideaalisessa eristeessä ei ole vapaita varauksia. Ulkoiseen sähköstaattiseen kenttään sijoitettuna dielektri kuitenkin reagoi siihen. Tapahtuu dielektristä polarisaatiota, eli sähkökentän vaikutuksesta eristeessä olevat varaukset siirtyvät. Tämä ominaisuus, eristeen kyky polarisoitua, on eristeiden perusominaisuus.

Siten eristeiden polarisaatio sisältää kolme polarisoitavuuden komponenttia:

• Elektroniset;

• Jonna;

• Dipoli (suuntaus).

Polarisaatiossa varaukset siirtyvät sähköstaattisen kentän vaikutuksesta. Tämän seurauksena jokainen atomi tai jokainen molekyyli luo sähkömomentin P.

Dipolien varaukset eristeen sisällä kompensoituvat keskenään, mutta sähkökentän lähteenä toimivien elektrodien viereisillä ulkopinnoilla ilmaantuu pintaan liittyviä varauksia, joilla on päinvastainen etumerkki kuin vastaavan elektrodin varaus.

Siihen liittyvien varausten E' sähköstaattinen kenttä on aina suunnattu ulkoista sähköstaattista kenttää E0 vastaan. Osoittautuu, että eristeen sisällä on sähkökenttä, joka on yhtä suuri kuin E = E0 — E '.

Jos suuntaissärmiön muotoisesta eristeestä tehty kappale asetetaan sähköstaattiseen kenttään, jonka voimakkuus on E0, niin sen sähkömomentti voidaan laskea kaavalla: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, missä σ' on niihin liittyvien varausten pintatiheys, ja φ on alueen S pinnan pinnan ja sen normaalin välinen kulma.

Lisäksi, kun tiedetään n - molekyylien pitoisuus eristeen tilavuusyksikköä kohti ja P1 - yhden molekyylin sähkömomentti, voimme laskea polarisaatiovektorin arvon, eli sähkömomentin dielektrisen tilavuusyksikköä kohti.

Korvaamalla nyt suuntaissärmiön tilavuuden V = SlCos φ, on helppo päätellä, että polarisaatiovarausten pintatiheys on numeerisesti yhtä suuri kuin polarisaatiovektorin normaalikomponentti tietyssä pinnan pisteessä. Looginen seuraus on, että eristeeseen indusoitu sähköstaattinen kenttä E' vaikuttaa vain käytetyn ulkoisen sähköstaattisen kentän E normaalikomponenttiin.

Kun molekyylin sähkömomentti on kirjoitettu jännitteen, polarisoituvuuden ja tyhjiön dielektrisyysvakion suhteen, polarisaatiovektori voidaan kirjoittaa seuraavasti:

Missä α on tietyn aineen yhden molekyylin polarisoituvuus ja χ = nα on dielektrinen suskeptibiliteetti, makroskooppinen suure, joka kuvaa polarisaatiota tilavuusyksikköä kohti. Dielektrinen suskeptiibiliteetti on dimensioton suure.

Näin ollen tuloksena oleva sähköstaattinen kenttä E muuttaa verrattuna E0:aan vain normaalikomponenttia. Kentän tangentiaalinen komponentti (suuntautunut tangentiaalisesti pintaan) ei muutu. Tämän seurauksena vektorimuodossa tuloksena olevan kentänvoimakkuuden arvo voidaan kirjoittaa:

Tuloksena olevan sähköstaattisen kentän voimakkuuden arvo dielektrissä on yhtä suuri kuin ulkoisen sähköstaattisen kentän voimakkuus jaettuna väliaineen dielektrisyysvakiolla ε:

Väliaineen dielektrisyysvakio ε = 1 + χ on eristeen pääominaisuus ja osoittaa sen sähköisiä ominaisuuksia. Tämän ominaisuuden fysikaalinen merkitys on, että se osoittaa, kuinka monta kertaa kentänvoimakkuus E tietyssä dielektrisessä väliaineessa on pienempi kuin voimakkuus E0 tyhjiössä:

Väliaineesta toiseen siirtyessä sähköstaattisen kentän voimakkuus muuttuu jyrkästi ja kenttävoimakkuuden riippuvuus eristepallon säteestä väliaineessa, jonka dielektrisyysvakio ε2 eroaa pallon dielektrisyysvakiosta ε1 heijastaa tätä:

Ferrosähköiset

Vuosi 1920 oli spontaanin polarisaation ilmiön löytämisen vuosi. Tälle ilmiölle alttiita aineita kutsutaan ferrosähköisiksi aineiksi tai ferrosähköisiksi aineiksi. Ilmiö johtuu siitä, että ferrosähköille on ominaista ominaisuuksien anisotropia, jossa ferrosähköisiä ilmiöitä voidaan havaita vain toisella kiteen akselilla. Isotrooppisissa dielektrikissä kaikki molekyylit polarisoituvat samalla tavalla.Anisotrooppiselle — eri suuntiin, polarisaatiovektorit ovat eri suunnassa.

Ferroelektroille on ominaista korkeat dielektrisyysvakion ε arvot tietyllä lämpötila-alueella:

Tässä tapauksessa ε:n arvo riippuu sekä näytteeseen kohdistetusta ulkoisesta sähköstaattisesta kentästä E että näytteen historiasta. Dielektrisyysvakio ja sähkömomentti riippuvat tässä epälineaarisesti voimasta E, joten ferrosähköiset kuuluvat epälineaarisiin dielektrikoihin.

Ferrosähköisille on ominaista Curie-piste, eli tietystä lämpötilasta alkaen ferrosähköinen vaikutus katoaa. Tässä tapauksessa tapahtuu toisen asteen faasisiirtymä, esimerkiksi bariumtitanaatilla Curie-pisteen lämpötila on + 133 ° C, Rochelle-suolalla -18 ° C - + 24 ° C, litiumniobaatilla + 1210 °C.

Koska dielektrit ovat epälineaarisesti polarisoituneita, dielektrinen hystereesi tapahtuu tässä. Kyllästyminen tapahtuu kaavion pisteessä "a". Ec — pakkovoima, Pc — jäännöspolarisaatio. Polarisaatiokäyrää kutsutaan hystereesisilmukaksi.

Potentiaalienergian minimiin pyrkimisen sekä niiden rakenteeseen sisältyvien vikojen vuoksi ferrosähköiset hajoavat sisäisesti domeeneihin. Alueilla on eri polarisaatiosuunnat ja ulkoisen kentän puuttuessa niiden kokonaisdipolimomentti on lähes nolla.

Ulkoisen kentän E vaikutuksesta domeenien rajat siirtyvät ja osa kenttään polarisoiduista alueista myötävaikuttaa domeenien polarisaatioon kentän E suuntaan.

Elävä esimerkki tällaisesta rakenteesta on BaTiO3:n tetragonaalinen modifikaatio.

Riittävän vahvassa kentässä E kide muuttuu yksidomeeniiseksi ja ulkoisen kentän sammuttamisen jälkeen polarisaatio säilyy (tämä on jäännöspolarisaatio Pc).

Vastakkaisen etumerkin omaavien alueiden tilavuuksien tasaamiseksi näytteeseen on kohdistettava vastakkaiseen suuntaan ulkoinen sähköstaattinen kenttä Ec, koersitiivikenttä.

Sähköasentajat

Eristeiden joukossa on kestomagneettien sähköisiä analogeja - elektrodeja. Nämä ovat sellaisia ​​erityisiä eristeitä, jotka pystyvät ylläpitämään polarisaation pitkään myös ulkoisen sähkökentän sammuttamisen jälkeen.

Pietsosähköiset

Luonnossa on eristeitä, jotka polarisoituvat niihin kohdistuvan mekaanisen vaikutuksen vaikutuksesta. Kide polarisoituu mekaanisen muodonmuutoksen seurauksena. Tämä ilmiö tunnetaan pietsosähköisenä efektinä. Sen avasivat vuonna 1880 veljekset Jacques ja Pierre Curie.

Johtopäätös on seuraava. Pietsosähköisen kiteen pinnalla sijaitsevissa metallielektrodeissa syntyy potentiaaliero kiteen muodonmuutoshetkellä. Jos elektrodit on suljettu johdolla, piiriin ilmestyy sähkövirta.

Käänteinen pietsosähköinen vaikutus on myös mahdollinen — kiteen polarisaatio johtaa sen muodonmuutokseen.Kun pietsosähköiseen kiteeseen kohdistettuihin elektrodeihin kohdistetaan jännite, kiteen mekaaninen muodonmuutos tapahtuu; se on verrannollinen käytettyyn kentänvoimakkuuteen E0. Tällä hetkellä tiede tuntee yli 1800 pietsosähköistä tyyppiä. Kaikilla polaarisessa faasissa olevilla ferrosähköisillä aineilla on pietsosähköisiä ominaisuuksia.

Pyroelektroniikka

Jotkut dielektriset kiteet polarisoituvat kuumennettaessa tai jäähtyessään, ilmiö tunnetaan pyrosähköisyydeksi.Esimerkiksi pyrosähköisen näytteen toinen pää varautuu negatiivisesti kuumennettaessa, kun taas toinen on positiivisesti varautunut. Ja kun se jäähtyy, se pää, joka oli negatiivisesti varautunut kuumennettaessa, varautuu positiivisesti, kun se jäähtyy. Ilmeisesti tämä ilmiö liittyy aineen alkuperäisen polarisaation muutokseen sen lämpötilan muutoksella.

Jokaisella pyrosähköisellä on pietsosähköiset ominaisuudet, mutta kaikki pietsosähköiset eivät ole pyrosähköisiä. Joillakin pyrosähköisistä tuotteista on ferrosähköisiä ominaisuuksia, eli ne kykenevät spontaanisti polarisoitumaan.

Sähköinen siirtymä

Kahden väliaineen rajalla, joilla on erilaiset dielektrisyysvakion arvot, sähköstaattisen kentän E voimakkuus muuttuu jyrkästi ε:n terävien muutosten paikassa.

Sähköstaattisten laskelmien yksinkertaistamiseksi otettiin käyttöön sähköinen siirtymävektori tai sähköinen induktio D.

Koska E1ε1 = E2ε2, niin E1ε1ε0 = E2ε2ε0, mikä tarkoittaa:

Eli siirtymisen aikana ympäristöstä toiseen sähkösiirtymävektori pysyy muuttumattomana, eli sähköinen induktio. Tämä näkyy selvästi kuvassa:

Pistevaraukselle tyhjiössä sähkösiirtymävektori on:

Kuten magneettivuo magneettikentille, sähköstatiikka käyttää sähköisen siirtymävektorin vuota.

Joten tasaisen sähköstaattisen kentän kohdalla, kun sähköisen siirtymävektorin D linjat ylittävät alueen S kulmassa α normaaliin nähden, voimme kirjoittaa:

Ostrogradsky-Gaussin lause vektorille E antaa meille mahdollisuuden saada vastaava lause vektorille D.

Joten Ostrogradsky-Gaussin lause sähköiselle siirtymävektorille D kuulostaa tältä:

Vektorin D virtauksen minkä tahansa suljetun pinnan läpi määräävät vain vapaat varaukset, eivät kaikki kyseisen pinnan rajoittaman tilavuuden sisällä olevat varaukset.

Esimerkkinä voidaan tarkastella ongelmaa kahdella äärettömästi laajennetulla eristeellä, joilla on eri ε, ja kahden ulkoisen kentän E läpäisemän väliaineen välisessä rajapinnassa.

Jos ε2> ε1, niin ottaen huomioon, että E1n / E2n = ε2 / ε1 ja E1t = E2t, koska vain vektorin E normaalikomponentti muuttuu, vain vektorin E suunta muuttuu.

Saimme vektorin intensiteetin E taittumislain.

Vektorin D taittumislaki on samanlainen kuin D = εε0E ja tämä näkyy kuvassa: