A dielektrikumok polarizálása

Ha egy dielektrikát vezetnek be egy elektromos mezőbe, akkor ez a mező és maga a dielektrikum jelentős változásokon megy keresztül.

Egy dielektrikum polarizációja az elektromos töltések elmozdulása egy külső elektromos tér hatására, aminek következtében a térfogat teljes dipólus pillanatot kap. A megszerzett dipólus pillanat nagysága arányos az ebben a dielektromos (az úgynevezett makroszkopikus elektromos mezőben

). mezőegy külső elektromos mező következménye, de különbözik ettől (lásd alább).

Ezenkívül a töltéseknek a dielektromos felület felületével szomszédos vékony rétegben való elmozdulása következtében kompenzálatlan töltetek jelennek meg, úgynevezett kötött töltéseknek vagy felületi polarizációs tölteteknek. A felszínen negatív kötések jelennek meg, amelyek magukban foglalják az erővonalakat és a pozitívakat a felszínen, ahonnan az erővonalak kilépnek (3. ábra). A megkötött töltések különböznek egymástól, mivel nem választhatók el a dielektrikumtól, mivel részei a molekuláknak.

Ábra. 3. Dielektromos egy külső elektromos mezőben

A dielektrikum polarizációjának mértékét meghatározó kvantitatív érték a polarizációs vektor (vagy polarizáció), amelyet a

ahol ΔV a dielektrikum térfogata, N a molekulák száma ebben a térfogatban,

Az i-os molekula dipólus pillanatai. A polarizációs vektor megegyezik egy egység térfogatának dipólus momentumával. Minthogy [p] = Clm, majd [P] = Kl / m 2, amely egybeesik az ε0Е értékének dimenziójával (ahol ε0 = 8,85 · 10-12 F / m az elektromos állandó). Ha a vektor a polarizációt homogénnek nevezzük.

Elektronikus, orientációs és ionos polarizáció.

Egy makroszkópos területen

a nempoláris molekulákban a negatív töltések (elektronok) az eredeti pozíciótól az ellenkező irányba tolódnak át(4. ábra). A pozitív töltések az irányba tolódnak, Ez az elmozdulás azonban sokkal kisebb, mivel tömegük sokkal nagyobb, mint az elektron tömege, és ez a hatás elhanyagolható. Ennek eredményeképpen a negatív töltetek súlypontja a mezőhöz képest elmozdul, és nem egyezik meg a pozitív díjak súlypontjával:.

4. ábra: Nem poláros molekulák polarizálása

A molekula dipólus pillanata nemzero lesz. A molekulának az elektródák elmozdulása következtében a villamos mező nagyságával arányos dipólus pillanatnyi megszerzését elektronikus polarizációnak nevezik. Mind az elektron térfogatáram, mind a molekulában indukált dipólus pillanat nagysága arányos a makroszkopikus elektromos mezővel:

ahol ae a molekula elektronpolarizálhatósága. Az ae dimenziója m 3.

Elektronikus polarizáció történik minden molekulánál, és nempoláris molekulákban ez az egyetlen polarizációs forma.

A (6) egyenlet azt jelenti, hogy a p indukált dipólus pillanat arányos a molekulára ható makroszkopikus tér nagyságával, és ezért p arányos a töltetekre ható erővel. E tekintetben a nempoláris molekula hasonló a rugóhoz, amelynek nyúlása arányos az erővel. Ezért az elektronpolarizációt néha elasztikusnak nevezik.

A polarizációs vektor és a makroszkópos terület összefüggései:

ahol æ a dielektromos érzékenység. Ez egy dimenzió nélküli pozitív mennyiség, amely nem függ az elektromos tér erősségétől a legtöbb dielektrikához. A dielektromos érzékenység az ε anyag relatív dielektromos permittivitására vonatkozik, az alábbiak szerint:

Ha a

azonos az összes molekulánál, akkor (5) és (6) szerint az ember képes képviselniaz alábbiak szerint:

ahol n a molekulák koncentrációja (egységnyi térfogatszámuk). Figyelembe véve (7):

A molekulák termikus mozgása nincs hatással az elektronok molekulákon vagy atomokon belüli mozgására, ezért az αe nem függ a hőmérséklettől. Ennek megfelelően a nempoláris molekulák esetében a æ és az ε nem függ a hőmérséklettől.

Mint fentebb említettük, a poláris dielektrikumok teljes dipólus pillanata külső mező hiányában nulla. A termikus mozgás hatására a molekulák dipólus pillanatai egyenletesen szétoszlanak a tér minden irányában (5 (a) ábra). A párhuzamos átvitel során, amelyben a vektorok összege nem változik, a molekuláris dipólusok elrendezése a 3. ábrán látható módon ábrázolható. 5 (b). Terepi cselekvés

a poláris molekulákra főként a rotációs vágy, hogy dipólus pillanatának vektorát csökkentsék, abszolút értékének megváltoztatása nélkül, az irányba került.

Ábra. 5. Polar molekulák polarizálása

Azonban a makroszkopikus tér orientációs hatását ellensúlyozza a termikus mozgás, amely hajlamos arra, hogy egyenletesen eloszolja a molekulák dipólus pillanatait minden irányban. A dipólus pillanat vektorának eredményeképpen a molekulák csak kis szögben forognak (a vektorok közötti szög abszolút értéke

éskissé csökken). Ebben az esetben a dipólus pillanatainak bizonyos irányadó iránya az iránybaés az egység térfogatának dipólus pillanata eltér a nullától (lásd az 5. ábrát).

A poláris dielektrikumok molekuláinak orientálódása egy elektromos mező hatására, amelynek eredményeképpen a dielektrikumok térfogatával arányos dipólus pillanatot kapnak, az orientációs polarizációnak (polarizabilitás) nevezik. Ahogy a hőmérséklet nő, a hőmozgás dezorientáló hatása emelkedik, ezért egy adott polarizációs mechanizmus esetén æ és ε a hőmérséklet emelkedésével csökken.

A Debye és Langevin által először végzett számítás azt mutatta, hogy a poláris dielektrikumok esetében az egyenlőség (7) is teljesül, és a vektor modulok

és

ahol po a molekula dipólus pillanatának modulusa, k = 1,38 · 10 -23 J / K a Boltzmann konstans, és T a Kelvin skála hőmérséklete. A (11) bekezdésből következik

Egy orientált polarizábilitás egy molekulánként megegyezik az æ aránygal

, hogy (12) szerint:

Mivel az elektromos mező gyakorlatilag nem változtatja meg a vektor modulusát

, de csak megváltoztatja irányát, azt mondják, hogy a poláris molekula merev dipólusként viselkedik ezen a területen, és az ilyen molekulák polarizációját dipólusnak vagy orientációnak nevezik.

A poláris dielektrikában az elektronpolarizáció mindig megtörténik, és a kapott polarizabilitás megegyezik az αe és az aor összegével.

Az ionos kristályokban egy elektromos mező hatása alatt a pozitív és a negatív ionok szubrácsjai ellentétes irányban eltolódnak (6. ábra). Ennek eredményeképpen a pozitív és negatív ionok súlypontjai ellentétes irányúak, és a felvett dipólus pillanatnyi elmozdulás nagysága, és ennek következtében a nagysága arányos a kristály térerősségével. Ebben az esetben ionpolarizációról (vagy polarizabilitásról) beszélünk. A (7) képlet szintén érvényes ebben az esetben. Az ionos polarizáció, valamint az elektron polarizáció, egyes molekulákban ionos kötési frakcióval is előfordul (az ilyen molekulákban lévő elektronok oly módon vannak elosztva, hogy az egyes ionokat ki lehet választani).

Ábra. 6. Az ionos kristályok polarizálása