Polarizarea dielectricilor

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 22 iunie 2021; verificările necesită 5 modificări .

Polarizarea dielectrică este un fenomen asociat cu o deplasare limitată a sarcinilor legate într-un dielectric sau rotația dipolilor electrici , de obicei sub influența unui câmp electric extern .

Polarizarea dielectricilor este caracterizată de vectorul de polarizare electrică . Semnificația fizică a acestui vector este momentul dipolului pe unitatea de volum a dielectricului. Uneori, vectorul de polarizare este numit pe scurt polarizare (și se dovedește că un termen denotă atât fenomenul, cât și indicatorul său cantitativ).

Se face o distincție între polarizarea indusă într-un dielectric sub acțiunea unui câmp extern și polarizarea spontană (spontană), care apare în feroelectrice în absența unui câmp extern. În unele cazuri, polarizarea unui dielectric (feroelectric) are loc sub acțiunea tensiunilor mecanice, a forțelor de frecare sau datorită schimbărilor de temperatură.

Polarizarea nu modifică sarcina totală în niciun volum macroscopic din interiorul unui dielectric omogen. Cu toate acestea, este însoțită de apariția pe suprafața sa a unor sarcini electrice legate cu o anumită densitate de suprafață σ. Aceste sarcini legate creează în dielectric un câmp macroscopic suplimentar cu putere , îndreptat împotriva câmpului extern cu putere . Ca rezultat , intensitatea câmpului din interiorul dielectricului va fi exprimată prin egalitate ${\mathbf E}_{1}$ ${\mathbf E}_{0}$ ${\mathbf E}$ $\mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}-\mathbf {E} _{1)$

Un analog al polarizării electrice în domeniul magnetismului este efectul de magnetizare, caracterizat prin vectorul de magnetizare .

Tipuri de polarizare

În funcție de mecanismul de polarizare, polarizarea dielectricilor poate fi împărțită în următoarele tipuri:

Electronic - deplasarea învelișurilor de electroni ale atomilor sub acțiunea unui câmp electric extern. Cea mai rapidă polarizare (până la 10 -15 s). Nu are legătură cu pierderea de energie.
Ionic - deplasarea nodurilor rețelei cristaline sub acțiunea unui câmp electric extern, iar deplasarea este cu o cantitate mai mică decât valoarea constantei rețelei . Timpul de curgere este de 10 −13 s, fără pierderi.
Dipol (Orientare) - procedează cu pierderi pentru a depăși forțele de comunicare și frecarea internă. Asociat cu orientarea dipolilor într-un câmp electric extern.
Electron-relaxare - orientarea electronilor defecte într-un câmp electric extern.
Relaxarea ionică - deplasarea ionilor, fixați lejer în nodurile structurii cristaline sau localizați în interstițial.
Structural - orientarea impurităților și incluziunilor macroscopice neomogene în dielectric. Cel mai lent tip.
Spontan (spontan) - apare în absența unui câmp electric extern. Se observă în materiale formate din domenii (regiuni) individuale. Fiecare dintre domenii are propria sa direcție, diferită de alte domenii, în urma căreia momentul dipol total al materialului este egal cu zero. Când se aplică un câmp electric extern, momentele dipolare ale domeniilor sunt orientate de-a lungul câmpului. Polarizarea rezultată prezintă proprietăți în esență neliniare chiar și la valori scăzute ale câmpului extern; se observă histerezis . Astfel de dielectrice (feroelectrice) se disting prin constante dielectrice foarte mari (de la 900 la 7500 pentru unele tipuri de ceramică de condensator).
Rezonanță - orientarea particulelor ale căror frecvențe naturale de oscilație coincid cu frecvențele câmpului electric extern.
Polarizarea migrației se datorează prezenței unor straturi cu conductivitate diferită în material, formării de sarcini spațiale, în special la gradienți de tensiune înaltă; are pierderi mari și este o polarizare cu acțiune întârziată.

Polarizarea dielectricilor (cu exceptia celui rezonant) este maxima in campurile electrice statice. În câmpuri alternante, datorită prezenței inerției electronilor, ionilor și dipolilor electrici, vectorul de polarizare electrică depinde de frecvență.

Mecanisme de polarizare

Câmp electric indus
- Elastic (deformare)
- termică (săritură)
- Încărcare volumetrică (migrare)

Parametri comparativi ai diferitelor tipuri de polarizare

Polarizare	Deplasarea particulelor, nm, în câmpul V/m $10^{6}$	Timp de relaxare, s	concentrația de particule, $m^{-3)$
Elastic (deplasare)	$10^{-6}$	$10^{-12}-10^{-16}$	$10^{{28}}$
termică (săritură)	$0,5$	$10^{-6}-10^{-10}$	$10^{{25}}$
Încărcare volumetrică (migrare)	$10^{{6}}$	$10^{4}-10^{-4}$	$10^{{23}}$

Cauzat de impact neelectric
- Polarizare piezo
- Piropolarizare
- Fotopolarizare
Există fără influențe externe
- Spontan
- Rezidual

Dependența vectorului de polarizare de câmpul extern

Într-un câmp constant

În câmpurile slabe

Într-un câmp electric extern constant sau mai degrabă lent în schimbare, cu o intensitate suficient de mică a acestui câmp, vectorul de polarizare ( polarizarea ) P , de regulă (cu excepția feroelectricilor), depinde liniar de vectorul intensității câmpului E :

{\mathbf P}=\chi {\mathbf E}

(în sistemul CGS ),

{\mathbf P}=\varepsilon _{0}\chi {\mathbf E}

(în Sistemul Internațional de Unități (SI) ; în plus, formulele din acest paragraf sunt date numai în CGS, formulele SI continuă să difere doar în constanta electrică )

\varepsilon_{0}

unde este un coeficient în funcție de compoziția chimică, concentrația, structura (inclusiv starea de agregare) a mediului, temperatură, tensiunile mecanice etc. (mai puternic pe unii factori, mai slab pe alții, desigur, în funcție de intervalul de schimbă fiecare) și numită polarizabilitatea (electrică) (și mai des, cel puțin pentru cazul în care este exprimată printr-un scalar - susceptibilitatea dielectrică ) a unui mediu dat. Pentru un mediu omogen de compoziție și structură fixă în condiții fixe, acesta poate fi considerat o constantă. Totuși, în legătură cu tot ceea ce s-a spus mai sus, în general, depinde de un punct din spațiu, timp (în mod explicit sau prin alți parametri) etc. $\chi$ $\chi$

Pentru lichide izotrope [2] , solide izotrope sau cristale cu simetrie suficient de mare , este pur și simplu un număr (scalar). Într-un caz mai general (pentru cristale cu simetrie scăzută, sub acțiunea tensiunilor mecanice etc.) - un tensor (un tensor simetric de rangul doi, în general nedegenerat), numit tensor de polarizabilitate . În acest caz, puteți rescrie formula astfel (în componente): $\chi$ $\chi$

P_{i}=\sum _{j}\\chi _{{ij}}E_{j},

unde mărimile cu simboluri corespund componentelor vectoriale şi tensoare corespunzătoare celor trei coordonate spaţiale.

Se poate observa că polarizabilitatea este una dintre mărimile fizice cele mai convenabile pentru o ilustrare simplă a semnificației fizice a tensorilor și a aplicării lor în fizică.

Ca pentru orice tensor simetric nedegenerat de rangul doi, pentru tensorul de polarizabilitate se poate alege (dacă mediul este neomogen — adică tensorul depinde de un punct din spațiu — atunci cel puțin local); bază proprie - coordonate carteziene dreptunghiulare, în care matricea devine diagonală, adică ia forma în care doar trei din cele nouă componente sunt nenule: , și . În acest caz, notând pentru simplitate ca , în loc de formula anterioară, obținem una mai simplă $\chi _{{ij}}$ $\chi _{{ij}}$ $\chi _{{11}}$ $\chi _{{22}}$ $\chi _{{33}}$ $\chi _{{ii}}$ $\chi _{i}$

P_{i}=\chi _{i}E_{i}.

Mărimile sunt numite polarizabilitati principale (sau susceptibilități dielectrice principale ). Dacă mediul este izotrop în ceea ce privește polarizabilitatea, atunci toate cele trei polarizabilitati principale sunt egale între ele, iar acțiunea tensorului este redusă la o simplă înmulțire cu un număr. $\chi _{i}$

În domenii puternice

În câmpuri suficient de puternice [3] , tot ceea ce este descris mai sus este complicat de faptul că pe măsură ce intensitatea câmpului electric crește, mai devreme sau mai târziu liniaritatea dependenței lui P de E se pierde .

Caracterul neliniarității care apare și valoarea caracteristică a câmpului cu care neliniaritatea devine remarcabilă depind de proprietățile individuale ale mediului, condiții etc.

Se poate evidenția legătura lor cu tipurile de polarizări descrise mai sus.

Astfel, pentru polarizarea electronică și ionică la câmpuri care se apropie de valori de ordinul raportului dintre potențialul de ionizare și dimensiunea caracteristică a moleculei U 0 /D , în primul rând este caracteristică accelerarea creșterii vectorului de polarizare cu câmp în creștere. (o creștere a pantei parcelei P(E) ), apoi trecând fără probleme în defalcarea dielectricului .

Polarizare dipol (orientațională) la valori de obicei ceva mai mici ale intensității câmpului extern - de ordinul kT / p (unde p este momentul dipol al moleculei, T este temperatura, k este constanta Boltzmann ) - adică , când energia de interacțiune a dipolului (moleculei) cu câmpul devine comparabilă cu o energie medie a mișcării termice (rotație) a dipolului - dimpotrivă, începe să ajungă la saturație (cu o creștere suplimentară a intensității câmpului, mai devreme). sau mai târziu scenariul de polarizare electronică sau ionică, descris mai sus și care se termină cu o defecțiune, ar trebui să se activeze mai devreme sau mai târziu).

Într-un câmp dependent de timp

Dependența vectorului de polarizare de un câmp extern care se schimbă rapid în timp este destul de complicată. Depinde de tipul specific de modificare a câmpului extern în timp, de viteza acestei modificări (sau, de exemplu, de frecvența de oscilație) a câmpului extern, de mecanismul de polarizare predominant într-o anumită substanță sau mediu (care se dovedește și să fie diferit pentru diferite dependențe ale câmpului extern de timp, frecvențe etc.) d.).

Cu o schimbare suficient de lentă a câmpului extern, polarizarea are loc în general ca într-un câmp constant sau foarte aproape de acesta (cu toate acestea, cât de lentă trebuie să fie schimbarea câmpului pentru ca aceasta să se întâmple depinde, și adesea extrem de puternic, de tipul predominant de polarizare și alte condiții, cum ar fi temperatura).

Una dintre cele mai comune abordări pentru studierea dependenței polarizării de natura câmpului variabil în timp este studierea (teoretică și experimentală) a cazului unei dependențe de timp sinusoidale a câmpului extern și a dependenței vectorului de polarizare (care, de asemenea, se modifică în acest caz după o lege sinusoidală cu aceeași frecvență), amplitudinea și defazarea acesteia față de frecvență.

Fiecare mecanism de polarizare în ansamblu corespunde unuia sau altuia interval de frecvență și naturii generale a dependenței de frecvență.

Gama de frecvență în care are sens să vorbim despre polarizarea dielectricilor ca atare se extinde de la zero undeva la regiunea ultravioletă , în care ionizarea devine intensă sub acțiunea câmpului.

Vezi și

Note

↑ Res, 1989 , p. 65.
↑ De obicei, lichidele pot fi considerate izotrope, dar acest lucru s-ar putea să nu fie valabil pentru toate clasele de lichide și poate fi perturbat de diverse perturbări (uneori foarte puternic, de exemplu, pentru soluții de polimeri etc.), așa că este mai bine să clarificăm acest lucru explicit.
↑ Acest paragraf presupune că câmpul se schimbă constant sau lent în timp - adică sunt afectate doar problemele legate de mărimea mare a intensității câmpului; complicațiile asociate cu o schimbare suficient de rapidă a câmpului în timp sunt descrise mai jos într-o secțiune separată.

Literatură

Rez I. S., Poplavko Yu. M. Dielectrics. Proprietăți de bază și aplicații în electronică. - M . : Radio şi comunicare, 1989. - 288 p. — ISBN 5-256-00235-X .

Link -uri

dic.academic.ru/dic.nsf/natural_science/10203
dic.academic.ru/dic.nsf/polytechnic/7019