דיאלקטריות בשדה חשמלי

כל החומרים המוכרים לאנושות מסוגלים להוליך זרם חשמלי בדרגות שונות: חלקם מוליכים זרם טוב יותר, אחרים גרועים יותר, אחרים כמעט ולא מוליכים אותו כלל. על פי יכולת זו, חומרים מחולקים לשלוש קבוצות עיקריות:

• דיאלקטריים;

• מוליכים למחצה;

• מנצחים.

דיאלקטרי אידיאלי אינו מכיל מטענים המסוגלים לנוע על פני מרחקים משמעותיים, כלומר, אין מטענים חופשיים בדיאלקטרי אידיאלי. עם זאת, כאשר הוא ממוקם בשדה אלקטרוסטטי חיצוני, הדיאלקטרי מגיב אליו. קיטוב דיאלקטרי מתרחש, כלומר, תחת פעולת שדה חשמלי, המטענים בדיאלקטרי נעקרים. תכונה זו, היכולת של דיאלקטרי לקטב, היא התכונה הבסיסית של דיאלקטרי.

לפיכך, הקיטוב של דיאלקטריות כולל שלושה מרכיבים של קיטוב:

• אֶלֶקטרוֹנִי;

• ג'ונה;

• דיפול (כיוון).

בקיטוב, המטענים נעקרים תחת פעולת שדה אלקטרוסטטי. כתוצאה מכך, כל אטום או כל מולקולה יוצרים מומנט חשמלי P.

המטענים של הדיפולים בתוך הדיאלקטרי מתוגמלים הדדית, אך על המשטחים החיצוניים הסמוכים לאלקטרודות המשמשות כמקור השדה החשמלי מופיעים מטענים הקשורים למשטח בעלי הסימן ההפוך למטען של האלקטרודה המקבילה.

השדה האלקטרוסטטי של המטענים הקשורים E' מכוון תמיד כנגד השדה האלקטרוסטטי החיצוני E0. מסתבר שבתוך הדיאלקטרי יש שדה חשמלי השווה ל-E = E0 — E '.

אם גוף העשוי מדיאלקטרי בצורה של מקבילית ממוקם בשדה אלקטרוסטטי בעל חוזק E0, אזי ניתן לחשב את המומנט החשמלי שלו על ידי הנוסחה: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, כאשר σ' הוא צפיפות פני השטח של המטענים הקשורים, ו-φ היא הזווית בין פני השטח של פני שטח S לבין הנורמלי אליו.

בנוסף, בידיעה של n - ריכוז המולקולות ליחידת נפח של הדיאלקטרי ו-P1 - המומנט החשמלי של מולקולה אחת, נוכל לחשב את הערך של וקטור הקיטוב, כלומר, המומנט החשמלי ליחידת נפח של הדיאלקטרי.

אם תחליף כעת את נפח המקבילית V = SlCos φ, קל להסיק שצפיפות פני השטח של מטענים הקיטוב שווה מספרית לרכיב הנורמלי של וקטור הקיטוב בנקודה נתונה על פני השטח. התוצאה ההגיונית היא שהשדה האלקטרוסטטי E' המושרה בדיאלקטרי משפיע רק על הרכיב הנורמלי של השדה האלקטרוסטטי החיצוני E המופעל.

לאחר כתיבת המומנט החשמלי של מולקולה במונחים של מתח, קיטוב וקבוע דיאלקטרי של ואקום, ניתן לכתוב את וקטור הקיטוב כ:

כאשר α הוא יכולת הקיטוב של מולקולה אחת של חומר נתון, ו-χ = nα הוא הרגישות הדיאלקטרית, כמות מאקרוסקופית המאפיינת את הקיטוב ליחידת נפח. רגישות דיאלקטרית היא כמות חסרת מימד.

לפיכך, השדה האלקטרוסטטי E המתקבל משתנה, בהשוואה ל-E0, רק את הרכיב הרגיל. המרכיב המשיק של השדה (המכוון למשיק לפני השטח) אינו משתנה. כתוצאה מכך, בצורה וקטורית, ניתן לכתוב את הערך של עוצמת השדה המתקבלת:

הערך של חוזק השדה האלקטרוסטטי המתקבל בדיאלקטרי שווה לעוצמתו של השדה האלקטרוסטטי החיצוני חלקי הקבוע הדיאלקטרי של המדיום ε:

הקבוע הדיאלקטרי של המדיום ε = 1 + χ הוא המאפיין העיקרי של הדיאלקטרי ומציין את התכונות החשמליות שלו. המשמעות הפיזית של מאפיין זה היא שהוא מראה כמה פעמים עוצמת השדה E במדיום דיאלקטרי נתון קטן מהחוזק E0 בוואקום:

במעבר ממדיום אחד למשנהו, עוצמת השדה האלקטרוסטטי משתנה בחדות, וגרף התלות של עוצמת השדה ברדיוס של כדור דיאלקטרי בתווך עם קבוע דיאלקטרי ε2 שונה מהקבוע הדיאלקטרי של הכדור. ε1 משקף את זה:

פרואלקטריק

1920 הייתה שנת גילוי תופעת הקיטוב הספונטני. קבוצת החומרים הרגישים לתופעה זו נקראת פרו-אלקטריקים או פרו-אלקטריקים. התופעה מתרחשת בשל העובדה שפרואלקטריים מאופיינים באניזוטרופיה של מאפיינים, שבה ניתן לראות תופעות פרו-אלקטריות רק לאורך אחד מצירי הגביש. בדיאלקטריות איזוטרופיות, כל המולקולות מקוטבות באותו אופן.עבור אניזוטרופי - בכיוונים שונים, וקטורי הקיטוב שונים בכיוון.

פרואלקטריות נבדלות על ידי ערכים גבוהים של הקבוע הדיאלקטרי ε בטווח טמפרטורות מסוים:

במקרה זה, הערך של ε תלוי הן בשדה האלקטרוסטטי החיצוני E שהופעל על המדגם והן בהיסטוריה של המדגם. הקבוע הדיאלקטרי והמומנט החשמלי כאן תלויים באופן לא ליניארי בכוח E, ולכן הפרו-אלקטריות שייכת לדיאלקטריות לא-לינאריות.

פרו-אלקטריים מאופיינים בנקודת הקורי, כלומר, החל מטמפרטורה מסוימת ומעלה, האפקט הפרו-אלקטרי נעלם. במקרה זה, מתרחש מעבר פאזה מסדר שני, לדוגמה, עבור בריום טיטנאט, הטמפרטורה של נקודת הקורי היא + 133 מעלות צלזיוס, עבור מלח רושל מ -18 מעלות צלזיוס עד + 24 מעלות צלזיוס, עבור ליתיום ניובט + 1210 מעלות צלזיוס.

מכיוון שהדיאלקטריים מקוטבים בצורה לא ליניארית, מתרחשת כאן היסטרזיס דיאלקטרי. הרוויה מתרחשת בנקודה «a» של הגרף. Ec - כוח כפייה, Pc - קיטוב שיורי. עקומת הקיטוב נקראת לולאת ההיסטרזיס.

בשל הנטייה למינימום אנרגיה פוטנציאלי, כמו גם בשל פגמים הגלומים במבנה שלהם, הפרו-אלקטריקים מפורקים באופן פנימי לתחומים. לתחומים יש כיווני קיטוב שונים ובהיעדר שדה חיצוני מומנט הדיפול הכולל שלהם כמעט אפסי.

תחת פעולת השדה החיצוני E מוזזים גבולות התחומים, וחלק מהאזורים המקוטבים ביחס לשדה תורמים לקיטוב התחומים לכיוון השדה E.

דוגמה חיה למבנה כזה היא השינוי הטטראגונלי של BaTiO3.

בשדה E חזק מספיק, הגביש הופך לתחום יחיד, ולאחר כיבוי השדה החיצוני, הקיטוב נשאר (זהו הקיטוב השיורי Pc).

על מנת להשוות את נפחי האזורים עם הסימן ההפוך, יש צורך להחיל על המדגם שדה אלקטרוסטטי חיצוני Ec, שדה כפייה, בכיוון ההפוך.

חשמלאים

בין הדיאלקטריות, ישנם אנלוגים חשמליים של מגנטים קבועים - אלקטרודות. אלו הם דיאלקטריים מיוחדים כאלה שמסוגלים לשמור על קיטוב לאורך זמן גם לאחר כיבוי השדה החשמלי החיצוני.

פיזואלקטריק

בטבע ישנם דיאלקטריים המקוטבים על ידי השפעה מכנית עליהם. הגביש מקוטב על ידי דפורמציה מכנית. תופעה זו ידועה בשם אפקט פיזואלקטרי. הוא נפתח בשנת 1880 על ידי האחים ז'אק ופייר קירי.

המסקנה היא הבאה. באלקטרודות המתכת הממוקמות על פני הגביש הפיאזואלקטרי, יתרחש הפרש פוטנציאלים ברגע העיוות של הגביש. אם האלקטרודות סגורות על ידי חוט, אז זרם חשמלי יופיע במעגל.

האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך אפשרי גם הוא - הקיטוב של הגביש מוביל לעיוות שלו.כאשר מופעל מתח על האלקטרודות המופעלות על הגביש הפייזואלקטרי, מתרחשת דפורמציה מכנית של הגביש; הוא יהיה פרופורציונלי לחוזק השדה המיושם E0. נכון לעכשיו, המדע מכיר יותר מ-1800 סוגים של פיזואלקטריות. כל הפרו-אלקטריות בשלב הקוטבי מציגות תכונות פיזואלקטריות.

פירואלקטיקה

חלק מהגבישים הדיאלקטריים מקטבים בעת חימום או קירור, תופעה המכונה פירואלקטריות.לדוגמה, קצה אחד של דגימה פירואלקטרית הופך לטעון שלילי בעת חימום, בעוד שהשני טעון חיובי. וכאשר הוא מתקרר, הקצה שהיה טעון שלילי בעת חימום יהפוך למטען חיובי כאשר הוא מתקרר. ברור שתופעה זו קשורה לשינוי בקיטוב הראשוני של חומר עם שינוי בטמפרטורה שלו.

לכל פירואלקטרי יש תכונות פיזואלקטריות, אבל לא כל פיזואלקטרי הוא פירואלקטרי. לחלק מהפירואלקטריות יש תכונות פרו-אלקטריות, כלומר, הן מסוגלות לקיטוב ספונטני.

תזוזה חשמלית

בגבול של שני מדיות עם ערכים שונים של הקבוע הדיאלקטרי, עוצמת השדה האלקטרוסטטי E משתנה בחדות במקום של שינויים חדים ב-ε.

כדי לפשט את החישובים באלקטרוסטטיקה, הוכנס וקטור התזוזה החשמלי או האינדוקציה החשמלית D.

מאז E1ε1 = E2ε2, אז E1ε1ε0 = E2ε2ε0, כלומר:

כלומר, במהלך המעבר מסביבה אחת לאחרת, וקטור התזוזה החשמלי נשאר ללא שינוי, כלומר, האינדוקציה החשמלית. זה מוצג בבירור באיור:

עבור מטען נקודתי בוואקום, וקטור התזוזה החשמלי הוא:

כמו שטף מגנטי עבור שדות מגנטיים, אלקטרוסטטיקה משתמשת בשטף של וקטור תזוזה חשמלי.

לכן, עבור שדה אלקטרוסטטי אחיד, כאשר הקווים של וקטור התזוזה החשמלי D חוצים את אזור S בזווית α לנורמלית, אנו יכולים לכתוב:

משפט אוסטרוגרדסקי-גאוס לווקטור E מאפשר לנו לקבל את המשפט המקביל לווקטור D.

אז, משפט אוסטרוגרדסקי-גאוס עבור וקטור התזוזה החשמלי D נשמע כך:

השטף של הווקטור D דרך כל משטח סגור נקבע רק על ידי המטענים החופשיים, לא על ידי כל המטענים בתוך הנפח התחום על ידי אותו משטח.

כדוגמה, אנו יכולים לשקול בעיה עם שני דיאלקטריים מורחבים לאין ערוך עם ε שונה ועם ממשק בין שתי מדיה שחדרה שדה חיצוני E.

אם ε2> ε1, אז אם לוקחים בחשבון ש-E1n / E2n = ε2 / ε1 ו-E1t = E2t, מכיוון שרק הרכיב הנורמלי של הווקטור E משתנה, רק כיוון הווקטור E משתנה.

השגנו את חוק השבירה של עוצמת הווקטור E.

חוק השבירה של וקטור D דומה ל-D = εε0E וזה מודגם באיור: