Dielektrikumok polarizációja

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. június 22-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 5 szerkesztést igényelnek .

A dielektromos polarizáció a dielektrikumban lévő kötött töltések korlátozott elmozdulásával vagy elektromos dipólusok forgásával kapcsolatos jelenség , általában külső elektromos tér hatására .

A dielektrikumok polarizációját az elektromos polarizációs vektor jellemzi . Ennek a vektornak a fizikai jelentése a dielektrikum egységnyi térfogatára jutó dipólusmomentum . Néha a polarizációs vektort röviden egyszerűen polarizációnak nevezik (és kiderül, hogy egy kifejezés a jelenséget és annak mennyiségi mutatóját is jelöli).

Megkülönböztetik a dielektrikumban külső tér hatására indukált polarizációt és a spontán (spontán) polarizációt, amely a ferroelektromosban külső tér hiányában lép fel. Egyes esetekben a dielektrikum (ferroelektromos) polarizációja mechanikai feszültségek, súrlódási erők hatására vagy hőmérsékletváltozás hatására következik be.

A polarizáció nem változtatja meg a teljes töltést egyetlen makroszkopikus térfogatban sem egy homogén dielektrikumon belül. Ez azonban azzal jár, hogy a felületén bizonyos σ felületi sűrűségű kötött elektromos töltések jelennek meg. Ezek a kötött töltések a dielektrikumban további erősségű makroszkopikus mezőt hoznak létre, amely a külső erőtér ellen irányul . Ennek eredményeként a dielektrikumon belüli térerősség az egyenlőséggel lesz kifejezve ${\mathbf E}_{1}$ ${\mathbf E}_{0}$ ${\mathbf E}$ ${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}-\mathbf {E} _{1))$

Az elektromos polarizáció analógja a mágnesesség területén a mágnesezési hatás, amelyet a mágnesezési vektor jellemez .

A polarizáció típusai

A polarizáció mechanizmusától függően a dielektrikumok polarizációja a következő típusokra osztható:

Elektronikus - az atomok elektronhéjának elmozdulása külső elektromos mező hatására. A leggyorsabb polarizáció ( 10-15 s-ig). Nem kapcsolódik az energiaveszteséghez.
Ionos - a kristályrács csomópontjainak elmozdulása külső elektromos tér hatására, és az elmozdulás kisebb, mint a rácsállandó értéke . Az áramlási idő 10-13 s, veszteség nélkül.
Dipólus (Orientáció) - veszteségekkel megy a kommunikáció és a belső súrlódási erők leküzdésére. A dipólusok külső elektromos térben való orientációjával kapcsolatos.
Elektronrelaxáció - a hibás elektronok orientációja külső elektromos térben.
Ionrelaxáció - a kristályszerkezet csomópontjaiban lazán rögzített vagy az intersticiálisban elhelyezkedő ionok elmozdulása.
Szerkezeti - a szennyeződések és inhomogén makroszkopikus zárványok orientációja a dielektrikumban. A leglassabb típus.
Spontán (spontán) - külső elektromos mező hiányában fordul elő. Egyedi tartományokból (régiókból) álló anyagokban figyelhető meg. Mindegyik tartománynak megvan a saját, a többi tartománytól eltérő iránya, aminek következtében az anyag teljes dipólusmomentuma nulla. Amikor külső elektromos mezőt alkalmazunk, a tartományok dipólusmomentumai a mező mentén orientálódnak. Az így létrejövő polarizáció lényegében nemlineáris tulajdonságokat mutat még a külső mező alacsony értékeinél is; hiszterézis figyelhető meg . Az ilyen dielektrikumokat (ferroelektrikumokat) nagyon magas dielektromos állandók jellemzik (900-tól 7500-ig bizonyos típusú kondenzátorkerámiák esetében).
Rezonancia - azon részecskék orientációja, amelyek természetes rezgési frekvenciái egybeesnek a külső elektromos mező frekvenciáival.
A migrációs polarizáció oka az anyagban lévő eltérő vezetőképességű rétegek jelenléte, a tértöltések kialakulása, különösen nagy feszültség gradienseknél; nagy veszteségekkel rendelkezik, és késleltetett akciós polarizáció.

A dielektrikumok polarizációja (a rezonáns kivételével) statikus elektromos térben maximális. A váltakozó mezőkben az elektronok, ionok és elektromos dipólusok tehetetlensége miatt az elektromos polarizációs vektor a frekvenciától függ.

A polarizáció mechanizmusai

Elektromos mező indukált
- Rugalmas (deformáció)
- Termikus (ugráló)
- Volumetrikus töltés (migráció)

Különböző típusú polarizációk összehasonlító paraméterei

Polarizáció	Részecskeeltolódás, nm, V/m mezőben $10^{6}$	Relaxációs idő, s	részecskekoncentráció, ${\displaystyle m^{-3))$
Rugalmas (elmozdulás)	$10^{-6}$	$10^{-12}-10^{-16}$	$10^{{28}}$
Termikus (ugráló)	$0.5$	$10^{-6}-10^{-10}$	$10^{{25}}$
Volumetrikus töltés (migráció)	$10^{{6}}$	$10^{4}-10^{-4}$	$10^{{23}}$

Nem elektromos hatás okozta
- Piezo polarizáció
- Piropolarizáció
- Fotopolarizáció
Külső hatások nélkül létezni
- Spontán
- Maradó

A polarizációs vektor függése a külső mezőtől

Állandó mezőben

Gyenge mezőkben

Állandó vagy meglehetősen lassan változó külső elektromos térben ennek a térnek kellően kicsi erőssége mellett a P polarizációs vektor ( polarizáció ) általában (a ferroelektromosok kivételével) lineárisan függ az E térerősség vektortól :

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

(a CGS rendszerben ),

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

(A Nemzetközi Mértékegységrendszerben (SI) ; továbbá az ebben a bekezdésben szereplő képletek csak a CGS-ben vannak megadva, az SI képletek továbbra is csak az elektromos állandóban térnek el )

\varepszilon_{0}

ahol a közeg kémiai összetételétől, koncentrációjától, szerkezetétől (beleértve az aggregációs állapottól) függő együttható, hőmérséklet, mechanikai igénybevételek stb. minden változást), és az adott közeg (elektromos) polarizálhatóságának (és gyakrabban, legalábbis abban az esetben, ha skalárral fejezzük ki - dielektromos szuszceptibilitásnak ) nevezik. Rögzített összetételű és szerkezetű homogén közeg esetén fix körülmények között állandónak tekinthető. Azonban a fentiekkel kapcsolatban általánosságban véve ez egy térbeli ponttól, időtől (kifejezetten vagy más paramétereken keresztül) stb. $\chi$ $\chi$

Izotróp [2] folyadékok, izotróp szilárd anyagok vagy kellően nagy szimmetriájú kristályok esetében ez egyszerűen egy szám (skalár). Általánosabb esetben (alacsony szimmetriájú kristályoknál, mechanikai feszültség hatására stb.) - egy tenzor (második rangú szimmetrikus tenzor, általában nem degenerált), az úgynevezett polarizálhatósági tenzor . Ebben az esetben átírhatja a képletet így (komponensekben): $\chi$ $\chi$

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

ahol a szimbólumokkal ellátott mennyiségek a három térbeli koordinátának megfelelő vektor- és tenzorkomponenseknek felelnek meg.

Látható, hogy a polarizálhatóság az egyik legkényelmesebb fizikai mennyiség a tenzorok fizikai jelentésének és fizikában való alkalmazásának egyszerű szemléltetésére.

Bármely másodrangú szimmetrikus, nem degenerált tenzorhoz, a polarizálhatósági tenzorhoz választható (ha a közeg inhomogén – vagyis a tenzor a tér egy pontjától függ – akkor legalább lokálisan; saját bázis - derékszögű derékszögű koordináták, amelyekben a mátrix átlóssá válik, azaz olyan formát ölt, amelyben a kilenc összetevő közül csak három nem nulla: , és . Ebben az esetben az egyszerűség kedvéért -ként jelölve az előző képlet helyett egy egyszerűbbet kapunk $\chi _{{ij}}$ $\chi _{{ij}}$ $\chi _{{11}}$ $\chi _{{22}}$ $\chi _{{33}}$ $\chi _{{ii}}$ $\chi _{i}$

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

A mennyiségeket fő polarizálhatóságnak (vagy fő dielektromos szuszceptibilitásnak ) nevezzük . Ha a közeg izotróp a polarizálhatóság szempontjából, akkor mindhárom fő polarizálhatóság egyenlő egymással, és a tenzor hatása egy egyszerű számmal való szorzásra redukálódik. $\chi _{i}$

Erős mezőkön

Kellően erős terekben [3] a fent leírtakat bonyolítja az a tény, hogy az elektromos térerősség növekedésével előbb-utóbb elveszik P E - től való függésének linearitása .

A megjelenő nemlinearitás jellege és a mező karakterisztikus értéke, amellyel a nemlinearitás észrevehetővé válik, a közeg egyedi tulajdonságaitól, viszonyaitól stb.

Külön kiemelhető kapcsolatuk a fent leírt polarizációtípusokkal .

Így az elektronikus és ionos polarizációra olyan mezőkön, amelyek megközelítik az ionizációs potenciál és a molekula jellemző méretének U 0 /D arányának nagyságrendjét , először a polarizációs vektor növekedésének gyorsulása a növekvő térrel jellemző. ( P(E) grafikon meredekségének növekedése ), majd simán átmegy a dielektrikum lebontásába .

Dipólus (Orientációs) polarizáció a külső térerősség általában valamivel alacsonyabb értékeinél - kT / p nagyságrendű (ahol p a molekula dipólusmomentuma, T a hőmérséklet, k a Boltzmann-állandó ) - azaz , amikor a dipólus (molekula) kölcsönhatási energiája a mezővel összehasonlíthatóvá válik a dipólus átlagos hőmozgási (forgási) energiájával - éppen ellenkezőleg, a telítettséget kezdi elérni (a térerősség további növekedésével hamarabb) vagy utóbb a fent leírt, meghibásodással végződő elektronikus vagy ionos polarizációs forgatókönyvnek előbb-utóbb be kell kapcsolnia).

Időfüggő mezőben

A polarizációs vektor függése egy időben gyorsan változó külső tértől meglehetősen bonyolult. Függ a külső tér időbeli változásának konkrét típusától, a külső tér változásának sebességétől (vagy mondjuk az oszcillációs frekvenciától), az adott anyagban vagy közegben uralkodó polarizációs mechanizmustól (ami szintén kiderül, hogy eltérő lehet a külső tér időtől, frekvenciától stb. való különböző függéseihez. d.).

A külső tér kellően lassú változása esetén a polarizáció általában úgy történik, mint egy állandó mezőben vagy ahhoz nagyon közel (az azonban, hogy a tér változásának milyen lassúnak kell lennie ahhoz, hogy ez megtörténjen, gyakran rendkívül erősen függ az uralkodó típustól polarizáció és egyéb feltételek, például hőmérséklet).

A polarizáció időben változó mező természetétől való függésének tanulmányozásának egyik legelterjedtebb megközelítése a külső tér szinuszos időfüggésének és a polarizációs vektor függésének vizsgálata (elméleti és kísérleti úton). változik ebben az esetben egy szinuszos törvény szerint azonos frekvenciával), amplitúdója és fáziseltolódása a frekvenciával szemben.

Minden egyes polarizációs mechanizmus összességében megfelel egyik vagy másik frekvenciatartománynak és a frekvenciafüggés általános természetének.

Az a frekvenciatartomány, amelyben érdemes a dielektrikumok polarizációjáról beszélni, valahol a nullától az ultraibolya tartományig terjed , ahol az ionizáció intenzívvé válik a mező hatására.

Lásd még

Jegyzetek

↑ Res, 1989 , p. 65.
↑ Általában a folyadékok izotrópnak tekinthetők, de ez nem biztos, hogy minden folyadékosztályra igaz, és különféle zavarok (néha nagyon erősen, pl. polimer oldatoknál stb.) zavarhatják, ezért érdemes ezt tisztázni. kifejezetten.
↑ Ez a bekezdés feltételezi, hogy a mező folyamatosan vagy lassan változik az időben – vagyis csak a térerősség nagyságával kapcsolatos kérdéseket érinti; Az alábbiakban egy külön részben ismertetjük a mező időbeni kellően gyors változásával járó szövődményeket.

Irodalom

Rez I. S., Poplavko Yu. M. Dielektrikum. Alapvető tulajdonságok és alkalmazás az elektronikában. - M . : Rádió és kommunikáció, 1989. - 288 p. — ISBN 5-256-00235-X .

Linkek

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