Dielektriķi elektriskajā laukā

Visas cilvēcei zināmās vielas spēj vadīt elektrisko strāvu dažādās pakāpēs: dažas vada strāvu labāk, citas sliktāk, citas gandrīz nemaz. Saskaņā ar šo spēju vielas iedala trīs galvenajās klasēs:

• Dielektriķi;

• Pusvadītāji;

• Diriģenti.

Ideāls dielektriķis nesatur lādiņus, kas spēj pārvietoties ievērojamos attālumos, tas ir, ideālā dielektrikā nav brīvu lādiņu. Tomēr, ievietojot ārējā elektrostatiskā laukā, dielektriķis uz to reaģē. Notiek dielektriskā polarizācija, tas ir, elektriskā lauka iedarbībā lādiņi dielektrikā tiek pārvietoti. Šī īpašība, dielektriķa spēja polarizēties, ir dielektriķu pamatīpašība.

Tādējādi dielektriķu polarizācija ietver trīs polarizējamības komponentus:

• Elektroniski;

• Jonna;

• Dipols (orientācija).

Polarizācijā lādiņi tiek pārvietoti elektrostatiskā lauka ietekmē. Rezultātā katrs atoms vai katra molekula rada elektrisko momentu P.

Dielektriķa iekšpusē esošo dipolu lādiņi tiek savstarpēji kompensēti, bet uz ārējām virsmām, kas atrodas blakus elektrodiem, kas kalpo par elektriskā lauka avotu, parādās ar virsmu saistīti lādiņi, kuriem ir pretēja zīme attiecīgā elektroda lādiņam.

Saistīto lādiņu elektrostatiskais lauks E' vienmēr ir vērsts pret ārējo elektrostatisko lauku E0. Izrādās, ka dielektriķa iekšpusē ir elektriskais lauks, kas vienāds ar E = E0 — E '.

Ja ķermeni, kas izgatavots no dielektriķa paralēlskaldņa formā, ievieto elektrostatiskajā laukā ar stiprumu E0, tad tā elektrisko momentu var aprēķināt pēc formulas: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, kur σ' ir saistīto lādiņu virsmas blīvums, un φ ir leņķis starp laukuma S virsmas virsmu un tās normālu.

Turklāt, zinot n — molekulu koncentrāciju uz dielektriķa tilpuma vienību un P1 — vienas molekulas elektrisko momentu, varam aprēķināt polarizācijas vektora vērtību, tas ir, elektrisko momentu uz dielektriķa tilpuma vienību.

Tagad aizstājot paralēlskaldņa tilpumu V = SlCos φ, ir viegli secināt, ka polarizācijas lādiņu virsmas blīvums ir skaitliski vienāds ar polarizācijas vektora normālo komponenti noteiktā virsmas punktā. Loģiskas sekas ir tādas, ka dielektrikā inducētais elektrostatiskais lauks E' ietekmē tikai pielietotā ārējā elektrostatiskā lauka E normālo komponentu.

Pēc molekulas elektriskā momenta uzrakstīšanas sprieguma, polarizācijas un vakuuma dielektriskās konstantes izteiksmē polarizācijas vektoru var uzrakstīt šādi:

Kur α ir noteiktas vielas vienas molekulas polarizējamība un χ = nα ir dielektriskā jutība, makroskopisks lielums, kas raksturo polarizāciju uz tilpuma vienību. Dielektriskā jutība ir bezizmēra lielums.

Tādējādi iegūtais elektrostatiskais lauks E, salīdzinot ar E0, mainās tikai parastais komponents. Lauka tangenciālā komponente (novirzīta tangenciāli uz virsmu) nemainās. Rezultātā vektora formā iegūtā lauka intensitātes vērtību var uzrakstīt:

Iegūtā elektrostatiskā lauka stipruma vērtība dielektrikā ir vienāda ar ārējā elektrostatiskā lauka stiprumu, kas dalīts ar vides dielektrisko konstanti ε:

Vides dielektriskā konstante ε = 1 + χ ir dielektriķa galvenais raksturlielums un norāda tā elektriskās īpašības. Šī raksturlieluma fiziskā nozīme ir tāda, ka tas parāda, cik reižu lauka stiprums E noteiktā dielektriskā vidē ir mazāks par stiprumu E0 vakuumā:

Pārejot no vienas vides uz otru, elektrostatiskā lauka stiprums strauji mainās, un lauka intensitātes atkarības grafiks no dielektriskās lodītes rādiusa vidē, kuras dielektriskā konstante ε2 atšķiras no lodītes dielektriskās konstantes. ε1 atspoguļo to:

Ferroelektriķi

1920. gads bija spontānas polarizācijas fenomena atklāšanas gads. Vielu grupu, kas ir jutīga pret šo parādību, sauc par feroelektriķiem vai feroelektriķiem. Parādība rodas tāpēc, ka feroelektriķiem ir raksturīga īpašību anizotropija, kurā feroelektriskās parādības var novērot tikai pa vienu no kristāla asīm. Izotropiskajos dielektriķos visas molekulas ir polarizētas vienādi.Anizotropam — dažādos virzienos polarizācijas vektori ir atšķirīgi.

Feroelektriķi izceļas ar augstām dielektriskās konstantes ε vērtībām noteiktā temperatūras diapazonā:

Šajā gadījumā ε vērtība ir atkarīga gan no paraugam pielietotā ārējā elektrostatiskā lauka E, gan no parauga vēstures. Dielektriskā konstante un elektriskais moments šeit ir nelineāri atkarīgi no spēka E, tāpēc feroelektriķi pieder pie nelineārajiem dielektriķiem.

Feroelektriķiem raksturīgs Kirī punkts, tas ir, sākot no noteiktas temperatūras un augstākas, feroelektriskais efekts pazūd. Šajā gadījumā notiek otrās kārtas fāzes pāreja, piemēram, bārija titanātam Kirī punkta temperatūra ir + 133 ° C, Rošella sālim no -18 ° C līdz + 24 ° C, litija niobātam + 1210°C.

Tā kā dielektriķi ir nelineāri polarizēti, šeit notiek dielektriskā histerēze. Piesātinājums notiek grafika punktā «a». Ec — piespiedu spēks, Pc — atlikušā polarizācija. Polarizācijas līkni sauc par histerēzes cilpu.

Sakarā ar tendenci uz potenciālo enerģijas minimumu, kā arī to struktūrai raksturīgo defektu dēļ feroelektriskie elementi tiek iekšēji sadalīti domēnos. Domēniem ir dažādi polarizācijas virzieni, un, ja nav ārējā lauka, to kopējais dipola moments ir gandrīz nulle.

Ārējā lauka E iedarbībā domēnu robežas tiek nobīdītas, un daži reģioni, kas polarizēti attiecībā pret lauku, veicina domēnu polarizāciju lauka E virzienā.

Spilgts šādas struktūras piemērs ir BaTiO3 tetragonālā modifikācija.

Pietiekami spēcīgā laukā E kristāls kļūst par viendomēnu, un pēc ārējā lauka izslēgšanas saglabājas polarizācija (tā ir atlikušā polarizācija Pc).

Lai izlīdzinātu apgabalu apjomus ar pretējo zīmi, paraugam ir jāpiemēro ārējais elektrostatiskais lauks Ec, koercitīvais lauks, pretējā virzienā.

Elektriķi

Starp dielektriķiem ir pastāvīgo magnētu elektriskie analogi - elektrodi. Tie ir tādi īpašie dielektriķi, kas spēj ilgstoši saglabāt polarizāciju pat pēc ārējā elektriskā lauka izslēgšanas.

Pjezoelektriķi

Dabā ir dielektriķi, kurus polarizē mehāniska ietekme uz tiem. Kristāls tiek polarizēts ar mehānisku deformāciju. Šo parādību sauc par pjezoelektrisko efektu. To 1880. gadā atklāja brāļi Žaks un Pjērs Kirī.

Secinājums ir šāds. Pie metāla elektrodiem, kas atrodas uz pjezoelektriskā kristāla virsmas, kristāla deformācijas brīdī radīsies potenciālu starpība. Ja elektrodi ir aizvērti ar vadu, tad ķēdē parādīsies elektriskā strāva.

Iespējams arī apgrieztais pjezoelektriskais efekts — kristāla polarizācija noved pie tā deformācijas.Pieliekot spriegumu pjezoelektriskajam kristālam pieliktajiem elektrodiem, notiek kristāla mehāniska deformācija; tas būs proporcionāls pielietotajam lauka intensitātei E0. Pašlaik zinātnei ir zināmi vairāk nekā 1800 pjezoelektriķu veidi. Visiem feroelektriķiem polārajā fāzē piemīt pjezoelektriskās īpašības.

Piroelektriķi

Daži dielektriskie kristāli polarizējas, kad tos karsē vai atdzesē, un šo parādību sauc par piroelektriskumu.Piemēram, piroelektriskā parauga viens gals karsējot kļūst negatīvi uzlādēts, bet otrs ir pozitīvi uzlādēts. Un, kad tas atdziest, gals, kas sildot bija negatīvi uzlādēts, atdziestot kļūs pozitīvi uzlādēts. Acīmredzot šī parādība ir saistīta ar vielas sākotnējās polarizācijas izmaiņām, mainoties tās temperatūrai.

Katram piroelektriskam ir pjezoelektriskās īpašības, bet ne katrs pjezoelektrisks ir piroelektrisks. Dažiem piroelektriskiem izstrādājumiem ir feroelektriskās īpašības, tas ir, tie spēj spontāni polarizēties.

Elektriskā nobīde

Uz divu nesēju robežas ar dažādām dielektriskās konstantes vērtībām elektrostatiskā lauka E stiprums krasi mainās vietā, kur notiek straujas izmaiņas ε.

Lai vienkāršotu aprēķinus elektrostatikā, tika ieviests elektriskā nobīdes vektors jeb elektriskā indukcija D.

Tā kā E1ε1 = E2ε2, tad E1ε1ε0 = E2ε2ε0, kas nozīmē:

Tas ir, pārejot no vienas vides uz otru, elektriskās nobīdes vektors paliek nemainīgs, tas ir, elektriskā indukcija. Tas ir skaidri parādīts attēlā:

Punkta lādiņam vakuumā elektriskās nobīdes vektors ir:

Tāpat kā magnētiskā plūsma magnētiskajiem laukiem, elektrostatika izmanto elektriskā nobīdes vektora plūsmu.

Tātad vienmērīgam elektrostatiskajam laukam, kad elektriskā nobīdes vektora D līnijas šķērso apgabalu S leņķī α pret normālu, mēs varam rakstīt:

Ostrogradska-Gausa teorēma vektoram E ļauj iegūt atbilstošo teorēmu vektoram D.

Tātad Ostrogradska-Gausa teorēma elektriskā nobīdes vektoram D izklausās šādi:

Vektora D plūsmu caur jebkuru slēgtu virsmu nosaka tikai brīvie lādiņi, nevis visi lādiņi tilpumā, ko ierobežo šī virsma.

Kā piemēru mēs varam apsvērt problēmu ar diviem bezgalīgi paplašinātiem dielektriķiem ar atšķirīgu ε un ar saskarni starp diviem nesējiem, kurus caurstrāvo ārējais lauks E.

Ja ε2> ε1, tad ņemot vērā, ka E1n / E2n = ε2 / ε1 un E1t = E2t, jo mainās tikai vektora E normālā komponente, mainās tikai vektora E virziens.

Mēs ieguvām vektora intensitātes E laušanas likumu.

Rerakcijas likums vektoram D ir līdzīgs kā D = εε0E, un tas ir parādīts attēlā: