Dielectricii într-un câmp electric

Toate substanțele cunoscute de omenire sunt capabile să conducă curentul electric în diferite grade: unele conduc curentul mai bine, altele mai rău, altele cu greu îl conduc deloc. Conform acestei abilități, substanțele sunt împărțite în trei clase principale:

• Dielectrice;

• Semiconductori;

• Dirijori.

Un dielectric ideal nu conține sarcini capabile să se deplaseze pe distanțe semnificative, adică nu există sarcini libere într-un dielectric ideal. Cu toate acestea, atunci când este plasat într-un câmp electrostatic extern, dielectricul reacționează la acesta. Are loc polarizarea dielectrică, adică sub acțiunea unui câmp electric, sarcinile din dielectric sunt deplasate. Această proprietate, capacitatea unui dielectric de a polariza, este proprietatea fundamentală a dielectricilor.

Astfel, polarizarea dielectricilor include trei componente ale polarizabilității:

• Electronic;

• Jonna;

• Dipol (orientare).

În polarizare, sarcinile sunt deplasate sub acțiunea unui câmp electrostatic. Ca rezultat, fiecare atom sau fiecare moleculă creează un moment electric P.

Sarcinile dipolilor din interiorul dielectricului sunt compensate reciproc, dar pe suprafețele exterioare adiacente electrozilor care servesc drept sursă a câmpului electric apar sarcini legate de suprafață care au semnul opus sarcinii electrodului corespunzător.

Câmpul electrostatic al sarcinilor asociate E' este întotdeauna îndreptat împotriva câmpului electrostatic extern E0. Rezultă că în interiorul dielectricului există un câmp electric egal cu E = E0 — E '.

Dacă un corp format dintr-un dielectric sub formă de paralelipiped este plasat într-un câmp electrostatic de putere E0, atunci momentul său electric poate fi calculat prin formula: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, unde σ' este densitatea suprafeței sarcinilor asociate, iar φ este unghiul dintre suprafața unei fețe a ariei S și normala acesteia.

În plus, cunoscând n — concentrația de molecule pe unitate de volum a dielectricului și P1 — momentul electric al unei molecule, putem calcula valoarea vectorului de polarizare, adică momentul electric pe unitatea de volum a dielectricului.

Înlocuind acum volumul paralelipipedului V = SlCos φ, este ușor de concluzionat că densitatea de suprafață a sarcinilor de polarizare este numeric egală cu componenta normală a vectorului de polarizare într-un punct dat de pe suprafață. Consecința logică este că câmpul electrostatic E’ indus în dielectric afectează doar componenta normală a câmpului electrostatic extern aplicat E.

După ce se scrie momentul electric al unei molecule în termeni de tensiune, polarizabilitate și constantă dielectrică a vidului, vectorul de polarizare se poate scrie astfel:

Unde α este polarizabilitatea unei molecule a unei substanțe date și χ = nα este susceptibilitatea dielectrică, o mărime macroscopică care caracterizează polarizarea pe unitatea de volum. Susceptibilitatea dielectrică este o mărime adimensională.

Astfel, câmpul electrostatic rezultat E modifică, față de E0, doar componenta normală. Componenta tangenţială a câmpului (direcţionată tangenţial la suprafaţă) nu se modifică. Ca urmare, sub formă vectorială, valoarea intensității câmpului rezultat poate fi scrisă:

Valoarea intensității câmpului electrostatic rezultat în dielectric este egală cu puterea câmpului electrostatic extern împărțit la constanta dielectrică a mediului ε:

Constanta dielectrică a mediului ε = 1 + χ este principala caracteristică a dielectricului și indică proprietățile sale electrice. Sensul fizic al acestei caracteristici este că arată de câte ori intensitatea câmpului E într-un mediu dielectric dat este mai mică decât puterea E0 în vid:

La trecerea de la un mediu la altul, puterea câmpului electrostatic se modifică brusc, iar graficul dependenței intensității câmpului de raza unei bile dielectrice într-un mediu cu o constantă dielectrică ε2 diferită de constanta dielectrică a bilei ε1 reflectă acest lucru:

Feroelectrice

1920 a fost anul descoperirii fenomenului de polarizare spontană. Grupul de substanțe sensibile la acest fenomen se numește feroelectrice sau feroelectrice. Fenomenul are loc datorită faptului că feroelectricii se caracterizează printr-o anizotropie a proprietăților, în care fenomenele feroelectrice pot fi observate numai de-a lungul uneia dintre axele cristalului. În dielectricii izotropi, toate moleculele sunt polarizate în același mod.Pentru anizotrope - în direcții diferite, vectorii de polarizare sunt diferiți în direcție.

Feroelectricele se disting prin valori mari ale constantei dielectrice ε într-un anumit interval de temperatură:

În acest caz, valoarea lui ε depinde atât de câmpul electrostatic extern E aplicat probei, cât și de istoricul probei. Constanta dielectrică și momentul electric aici depind neliniar de forța E, prin urmare feroelectricii aparțin dielectricilor neliniari.

Feroelectricele se caracterizează prin punctul Curie, adică pornind de la o anumită temperatură și mai mare, efectul feroelectric dispare. În acest caz, are loc o tranziție de fază de ordinul doi, de exemplu, pentru titanatul de bariu, temperatura punctului Curie este de + 133 ° C, pentru sarea Rochelle de la -18 ° C la + 24 ° C, pentru niobat de litiu + 1210 ° C.

Deoarece dielectricii sunt polarizați neliniar, aici are loc histerezisul dielectric. Saturația are loc în punctul «a» al graficului. Ec — forța coercitivă, Pc — polarizare reziduală. Curba de polarizare se numește bucla de histerezis.

Datorită tendinței către un minim de energie potențială, precum și din cauza defectelor inerente structurii lor, feroelectricii sunt sparți intern în domenii. Domeniile au direcții de polarizare diferite și în absența unui câmp extern momentul lor total de dipol este aproape zero.

Sub acțiunea câmpului extern E, limitele domeniilor sunt deplasate, iar unele dintre regiunile polarizate față de câmp contribuie la polarizarea domeniilor în direcția câmpului E.

Un exemplu viu al unei astfel de structuri este modificarea tetragonală a BaTiO3.

Într-un câmp E suficient de puternic, cristalul devine un singur domeniu, iar după oprirea câmpului extern, polarizarea rămâne (aceasta este polarizarea reziduală Pc).

Pentru a egaliza volumele regiunilor cu semn opus este necesar să se aplice probei un câmp electrostatic extern Ec, un câmp coercitiv, în sens invers.

Electricieni

Printre dielectrici, există analogi electrici ai magneților permanenți - electrozi. Acestea sunt astfel de dielectrice speciale care sunt capabile să mențină polarizarea pentru o lungă perioadă de timp chiar și după ce câmpul electric extern este oprit.

Piezoelectrice

În natură există dielectrici care sunt polarizați prin impact mecanic asupra lor. Cristalul este polarizat prin deformare mecanică. Acest fenomen este cunoscut sub numele de efect piezoelectric. A fost deschis în 1880 de frații Jacques și Pierre Curie.

Concluzia este următoarea. La electrozii metalici situati pe suprafata cristalului piezoelectric se va produce o diferenta de potential in momentul deformarii cristalului. Dacă electrozii sunt închiși de un fir, atunci va apărea un curent electric în circuit.

Este posibil și efectul piezoelectric invers — polarizarea cristalului duce la deformarea lui.Când se aplică tensiune electrozilor aplicați cristalului piezoelectric, are loc o deformare mecanică a cristalului; va fi proporţională cu intensitatea câmpului aplicat E0. În prezent, știința cunoaște mai mult de 1800 de tipuri de piezoelectrice. Toți feroelectricii din faza polară prezintă proprietăți piezoelectrice.

Piroelectrice

Unele cristale dielectrice se polarizează atunci când sunt încălzite sau răcite, un fenomen cunoscut sub numele de piroelectricitate.De exemplu, un capăt al unei probe piroelectrice devine încărcat negativ atunci când este încălzit, în timp ce celălalt este încărcat pozitiv. Și când se răcește, capătul care a fost încărcat negativ când a fost încălzit va deveni încărcat pozitiv când se răcește. Evident, acest fenomen este legat de o modificare a polarizării inițiale a unei substanțe cu o modificare a temperaturii acesteia.

Fiecare piroelectric are proprietăți piezoelectrice, dar nu orice piezoelectric este un piroelectric. Unele dintre piroelectrice au proprietăți feroelectrice, adică sunt capabile de polarizare spontană.

Deplasare electrică

La limita a două medii cu valori diferite ale constantei dielectrice, puterea câmpului electrostatic E se modifică brusc la locul schimbărilor bruște în ε.

Pentru a simplifica calculele în electrostatică, a fost introdus vectorul deplasării electrice sau inducția electrică D.

Deoarece E1ε1 = E2ε2, atunci E1ε1ε0 = E2ε2ε0, ceea ce înseamnă:

Adică, în timpul trecerii de la un mediu la altul, vectorul deplasării electrice rămâne neschimbat, adică inducția electrică. Acest lucru este arătat clar în figură:

Pentru o sarcină punctiformă în vid, vectorul deplasării electrice este:

La fel ca fluxul magnetic pentru câmpurile magnetice, electrostatica folosește fluxul unui vector de deplasare electrică.

Deci, pentru un câmp electrostatic uniform, când liniile vectorului de deplasare electrică D traversează regiunea S la un unghi α față de normală, putem scrie:

Teorema Ostrogradsky-Gauss pentru vectorul E ne permite să obținem teorema corespunzătoare pentru vectorul D.

Deci, teorema Ostrogradsky-Gauss pentru vectorul de deplasare electrică D sună astfel:

Fluxul vectorului D prin orice suprafață închisă este determinat doar de sarcinile libere, nu de toate sarcinile din interiorul volumului delimitat de acea suprafață.

Ca exemplu, putem lua în considerare o problemă cu doi dielectrici extins infinit cu ε diferit și cu o interfață între două medii pătrunse de un câmp extern E.

Dacă ε2> ε1, atunci ținând cont că E1n / E2n = ε2 / ε1 și E1t = E2t, deoarece se modifică doar componenta normală a vectorului E, se schimbă doar direcția vectorului E.

Am obținut legea refracției intensității vectorului E.

Legea refracției pentru un vector D este similară cu D = εε0E și aceasta este ilustrată în figură: