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
Az elektromos polarizáció analógja a mágnesesség területén a mágnesezési hatás, amelyet a mágnesezési vektor jellemez .
A polarizáció mechanizmusától függően a dielektrikumok polarizációja a következő típusokra osztható:
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.
Különböző típusú polarizációk összehasonlító paraméterei
Polarizáció | Részecskeeltolódás, nm, V/m mezőben | Relaxációs idő, s | részecskekoncentráció, |
Rugalmas (elmozdulás) | |||
Termikus (ugráló) | |||
Volumetrikus töltés (migráció) |
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 :
(a CGS rendszerben ), (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 )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.
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):
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
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.
Erős mezőkönKellően 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).
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.