Ддиэлектрики в электростатическом поле

ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

 

 

 

 

 

 

• 1. Поляризация диэлектриков
• 2. Различные виды диэлектриков

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Поляризация диэлектриков

 

• Все известные в природе вещества, в соответствии с их способностью проводить электрический ток, делятся на

три основных класса:

• Диэлектрики                             

•  полупроводники 

 

•  проводники                 

 

• В идеальном диэлектрике свободных зарядов, то есть способных перемещаться на значительные расстояния (превосходящие расстояния между атомами), нет.
• Но это не значит, что диэлектрик, помещенный в электростатическое поле, не реагирует на него, что в нем ничего не происходит.

 

• Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией.

 

• Способность к поляризации является основным свойством диэлектриков.

 

Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную, ионную и ориентационную (дипольную).

 

 

 

 

 

• Главное в поляризации – смещение зарядов в электростатическом поле. В результате, каждая молекула или атом образует электрический момент Р

 

 

 

 

 

 

Внутри диэлектрика  электрические заряды диполей компенсируют друг друга. Но на внешних поверхностях диэлектрика, прилегающих к электродам, появляются заряды противоположного знака (поверхностно связанные заряды).

                                                           

     

 

 

 

• Обозначим      – электростатическое поле связанных зарядов. Оно направлено всегда против внешнего поля    
• Следовательно, результирующее электростатическое поле внутри диэлектрика

                                            

                                 

• Введем новое понятие – вектор поляризации  – электрический момент единичного объема.

 

 

 

 

 

где n – концентрация молекул в единице объема.

  

 

 

•    – электрический момент одной молекулы.

 

 

• С учетом этого обстоятельства,

 

 

 

 

•                                                  – объем параллелепипеда).

 

 

Приравняем (1) и (2) и учтем, что – проекция P на направление        

            

               – вектора нормали

 

• тогда

 

 

 

 

• Поверхностная плотность поляризационных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации в данной точке поверхности.

 

• Отсюда следует, что индуцированное в диэлектрике электростатическое поле E' будет влиять только на нормальную составляющую вектора напряженности электростатического поля        .

 

• Вектор поляризации можно представить так:

 

 

 

• где             – поляризуемость молекул,

 

•                            – диэлектрическая восприимчивость – макроскопическая безразмерная величина, характеризующая поляризацию единицы объема.

Следовательно, и у результирующего поля изменяется, по сравнению с       ,только нормальная составляющая. Тангенциальная составляющая поля остается без изменения.

• В векторной форме результирующее поле можно представить так:

 

 

• Результирующая электростатического поля в диэлектрике равно внешнему полю, деленному на диэлектрическую проницаемость среды ε:

 

 

• Величина                               характеризует электрические свойства диэлектрика.

 

• Физический смысл диэлектрической проницаемости среды:

ε – величина, показывающая во сколько раз электростатическое поле внутри диэлектрика меньше, чем в вакууме:

 

 

 

 

 

 

• График зависимости напряженности электростатического поля шара от радиуса, с учетом диэлектрической проницаемости двух сред (         и                      ), показан на рисунке

Как видно из рисунка, напряженность поля  изменяется скачком при переходе из одной среды в другую .

  

                                                

               

 

2. Различные виды диэлектриков

 

• В 1920 г. была открыта спонтанная (самопроизвольная) поляризация.
• Всю  группу веществ, назвали сегнетоэлектрики (или ферроэлектрики).
• Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкую анизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться только вдоль одной из осей кристалла). У изотропных диэлектриков поляризация всех молекул одинакова, у анизотропных – поляризация, и следовательно, вектор поляризации в разных направлениях разные.

 

• Основные свойства сегнетоэлектриков:
• 1. Диэлектрическая проницаемость ε в некотором температурном интервале велика(                                 ).
• 2. Значение ε зависит не только от внешнего поля E0, но и от предыстории образца.
• 3. Диэлектрическая проницаемость ε (а следовательно, и Р  ) – нелинейно зависит от напряженности внешнего электростатического поля (нелинейные диэлектрики).
• 4. Наличие точки Кюри – температуры, при которой (и выше) сегнетоэлектрические свойства пропадают. При этой температуре происходит фазовый переход 2-го рода.           Например,
• титанат бария: 133º С;
• сегнетова соль: – 18 + 24º С;
• ниобат лития 1210º С.

 

• Нелинейная поляризация диэлектриков называется диэлектрическим гистерезисом
• Здесь точка а – состояние насыщения.

 

                     

 

 

Ес – коэрцитивная сила,      Pс – остаточная поляризация

Стремление к минимальной  потенциальной энергии и наличие  дефектов структуры приводит к тому, что сегнетоэлектрик разбит на домены

 

 

 

Сегнетоэлектрики   состоят из доменов - областей с различными направлениями поляризации. В  отсутствии поля суммарный дипольный момент практически отсутствует. Под действием электрического поля Е доменные границы смещаются так, что объем доменов, поляризованных по полю, увеличивается за счет доменов, поляризованных против поля.

 

   

      Изображение  доменов тетрагональной модификации BaTiO3. Стрелки       указывают направление вектора поляризации

 

В сильном электрическом  поле кристалл становится однодоменным. После выключения электрического поля образец остается поляризованным. Pс – остаточная поляризация.

 

Чтобы суммарные объемы доменов противоположного знака  сравнялись, необходимо приложить   поле противоположного направления Ес - коэрцитивное поле.

 

• Среди диэлектриков есть вещества, называемые электреты –  диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего электростатического поля (аналоги постоянных магнитов).

 

 

 

 

Пьезоэлектрики

 

Некоторые диэлектрики  поляризуются не только под действием  электрического поля, но и под действием механической деформации. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом.

• Явление открыто братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 году.

 

 

 

 

Если на грани кристалла  наложить металлические электроды (обкладки) то при деформации кристалла на обкладках возникнет разность потенциалов.

 Если замкнуть обкладки, то потечет ток.

 

 

 

Возможен и  обратный пьезоэлектрический эффект:

• Возникновение поляризации сопровождается механическими деформациями.
• Если на пьезоэлектрический кристалл подать напряжение, то возникнут механические деформации кристалла, причем, деформации будут пропорциональны приложенному электрическому полю Е0.
• Сейчас известно более 1800 пьезокристаллов.
• Все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическими свойствами
• Используются в пьезоэлектрических адаптерах и других устройствах).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

По дисциплине  «физика»

 

Тема «ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ»