Диелектрици у електричном пољу

Све супстанце познате човечанству су способне да проводе електричну струју у различитом степену: неке проводе струју боље, друге лошије, друге је једва проводе. Према овој способности, супстанце се деле у три главне класе:

• Диелектрици;

• Семицондуцторс;

• Диригенти.

Идеални диелектрик не садржи наелектрисања способна да се крећу на значајним растојањима, односно у идеалном диелектрику нема слободних наелектрисања. Међутим, када се стави у спољашње електростатичко поље, диелектрик реагује на њега. Настаје поларизација диелектрика, односно под дејством електричног поља наелектрисања у диелектрику се померају. Ово својство, способност диелектрика да поларизује, је основно својство диелектрика.

Дакле, поларизација диелектрика укључује три компоненте поларизабилности:

• Елецтрониц;

• Јонна;

• Дипол (оријентација).

У поларизацији, наелектрисања се померају под дејством електростатичког поља. Као резултат, сваки атом или сваки молекул ствара електрични момент П.

Наелектрисања дипола унутар диелектрика су међусобно компензована, али на спољашњим површинама у близини електрода које служе као извор електричног поља појављују се површински наелектрисања која имају супротан предзнак од наелектрисања одговарајуће електроде.

Електростатичко поље придружених наелектрисања Е' увек је усмерено против спољашњег електростатичког поља Е0. Испоставило се да унутар диелектрика постоји електрично поље једнако Е = Е0 — Е '.

Ако се тело направљено од диелектрика у облику паралелепипеда стави у електростатичко поље јачине Е0, онда се његов електрични момент може израчунати по формули: П = кЛ = σ'СЛ = σ'СлЦосφ, где је σ' површинска густина повезаних наелектрисања, а φ је угао између површине лица површине С и нормале на њу.

Осим тога, знајући н — концентрацију молекула по јединици запремине диелектрика и П1 — електрични момент једног молекула, можемо израчунати вредност вектора поларизације, односно електричног момента по јединици запремине диелектрика.

Заменивши сада запремину паралелепипеда В = СлЦос φ, лако је закључити да је површинска густина поларизационих наелектрисања нумерички једнака нормалној компоненти вектора поларизације у датој тачки на површини. Логична последица је да електростатичко поље Е' индуковано у диелектрику утиче само на нормалну компоненту примењеног спољашњег електростатичког поља Е.

Након писања електричног момента молекула у смислу напона, поларизабилности и диелектричне константе вакуума, вектор поларизације се може написати као:

Где је α поларизабилност једног молекула дате супстанце, а χ = нα је диелектрична осетљивост, макроскопска величина која карактерише поларизацију по јединици запремине. Диелектрична осетљивост је бездимензионална величина.

Дакле, резултујуће електростатичко поље Е мења, у поређењу са Е0, само нормалну компоненту. Тангенцијална компонента поља (усмерена тангенцијално на површину) се не мења. Као резултат, у векторском облику, вредност резултујуће јачине поља може се написати:

Вредност јачине резултујућег електростатичког поља у диелектрику једнака је јачини спољашњег електростатичког поља подељеној са диелектричном константом средине ε:

Диелектрична константа средине ε = 1 + χ је главна карактеристика диелектрика и указује на његове електричне особине. Физичко значење ове карактеристике је да показује колико је пута јачина поља Е у датом диелектричном медију мања од јачине Е0 у вакууму:

При преласку из једне средине у другу, јачина електростатичког поља се нагло мења, а график зависности јачине поља од полупречника диелектричне лопте у медијуму чија је диелектрична константа ε2 различита од диелектричне константе лопте ε1 одражава ово:

Фероелектрика

1920. година је била година открића феномена спонтане поларизације. Група супстанци подложних овој појави назива се фероелектрици или фероелектрици. Феномен се јавља због чињенице да фероелектрике карактерише анизотропија својстава, у којој се фероелектрични феномени могу посматрати само дуж једне од кристалних оса. У изотропним диелектрицима сви молекули су поларизовани на исти начин.За анизотропне — у различитим правцима, вектори поларизације су различити у правцу.

Фероелектрике одликују високе вредности диелектричне константе ε у одређеном температурном опсегу:

У овом случају, вредност ε зависи и од спољашњег електростатичког поља Е примењеног на узорак и од историје узорка. Диелектрична константа и електрични момент овде нелинеарно зависе од силе Е, стога фероелектрици спадају у нелинеарне диелектрике.

Фероелектрике карактерише Киријева тачка, односно, почевши од одређене температуре и више, фероелектрични ефекат нестаје. У овом случају долази до фазног прелаза другог реда, на пример, за баријум титанат, температура Киријеве тачке је + 133 ° Ц, за Роцхелле со од -18 ° Ц до + 24 ° Ц, за литијум ниобат + 1210 ° Ц.

Пошто су диелектрици нелинеарно поларизовани, овде се одвија диелектрична хистереза. Засићење се јавља у тачки «а» графикона. Ец — сила принуде, Пц — резидуална поларизација. Крива поларизације назива се петља хистерезе.

Због тежње ка минимуму потенцијалне енергије, као и због недостатака својствених њиховој структури, фероелектрици су интерно разбијени на домене. Домени имају различите правце поларизације и у одсуству спољашњег поља њихов укупни диполни момент је скоро нула.

Под дејством спољашњег поља Е, границе домена се померају, а неки од региона поларизованих у односу на поље доприносе поларизацији домена у правцу поља Е.

Живописан пример такве структуре је тетрагонална модификација БаТиО3.

У довољно јаком пољу Е кристал постаје једнодомен, а након искључивања спољашњег поља остаје поларизација (ово је заостала поларизација Пц).

Да би се изједначиле запремине региона супротног предзнака, потребно је на узорак применити спољашње електростатичко поље Ец, коерцитивно поље, у супротном смеру.

електричари

Међу диелектрицима постоје електрични аналоги сталних магнета - електроде. То су такви специјални диелектрици који су у стању да одржавају поларизацију дуго времена чак и након што се спољашње електрично поље искључи.

Пиезоелектрика

У природи постоје диелектрици који су поларизовани механичким ударом на њих. Кристал је поларизован механичком деформацијом. Овај феномен је познат као пиезоелектрични ефекат. Отворили су га 1880. године браћа Жак и Пјер Кири.

Закључак је следећи. На металним електродама које се налазе на површини пиезоелектричног кристала доћи ће до разлике потенцијала у тренутку деформације кристала. Ако су електроде затворене жицом, тада ће се у колу појавити електрична струја.

Могућ је и обрнути пиезоелектрични ефекат — поларизација кристала доводи до његове деформације.Када се примени напон на електроде примењене на пиезоелектрични кристал, долази до механичке деформације кристала; биће пропорционална примењеној јачини поља Е0. Тренутно, наука познаје више од 1800 врста пиезоелектрика. Сви фероелектрици у поларној фази показују пиезоелектрична својства.

Пироелектрика

Неки диелектрични кристали поларизирају се када се загреју или охладе, што је феномен познат као пироелектричност.На пример, један крај пироелектричног узорка постаје негативно наелектрисан када се загреје, док је други позитивно наелектрисан. А када се охлади, крај који је био негативно наелектрисан када се загрева постаће позитивно наелектрисан када се охлади. Очигледно, овај феномен је повезан са променом почетне поларизације супстанце са променом њене температуре.

Сваки пироелектрик има пиезоелектрична својства, али није сваки пиезоелектрик пироелектрик. Неки од пироелектрика имају фероелектрична својства, односно способни су за спонтану поларизацију.

Електрични померај

На граници два медија са различитим вредностима диелектричне константе, јачина електростатичког поља Е се нагло мења на месту оштрих промена ε.

Да би се поједноставили прорачуни у електростатици, уведен је вектор електричног померања или електрична индукција Д.

Пошто је Е1ε1 = Е2ε2, онда је Е1ε1ε0 = Е2ε2ε0, што значи:

То јест, током преласка из једног окружења у друго, вектор електричног померања остаје непромењен, односно електрична индукција. Ово је јасно приказано на слици:

За тачкасто наелектрисање у вакууму, вектор електричног померања је:

Као и магнетни флукс за магнетна поља, електростатика користи флукс вектора електричног померања.

Дакле, за једнолично електростатичко поље, када линије вектора електричног померања Д прелазе област С под углом α у односу на нормалу, можемо написати:

Теорема Остроградског-Гауса за вектор Е омогућава нам да добијемо одговарајућу теорему за вектор Д.

Дакле, Остроградски-Гаусова теорема за вектор електричног померања Д звучи овако:

Ток вектора Д кроз било коју затворену површину одређују само слободна наелектрисања, а не сва наелектрисања унутар запремине ограничене том површином.

Као пример, можемо размотрити проблем са два бесконачно проширена диелектрика са различитим ε и са интерфејсом између два медија пробијена спољашњим пољем Е.

Ако је ε2> ε1, онда узимајући у обзир да је Е1н / Е2н = ε2 / ε1 и Е1т = Е2т, пошто се мења само нормална компонента вектора Е, мења се само смер вектора Е.

Добили смо закон преламања векторског интензитета Е.

Закон преламања за вектор Д је сличан као Д = εε0Е и то је илустровано на слици: