Polarizáció

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. május 4-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 9 szerkesztést igényelnek .

A polarizáció [1] ( polarizációs vektor ) egy anyag egységnyi térfogatának a polarizációja során fellépő dipólusmomentumával egyenlő vektorfizikai mennyiség, a dielektromos polarizáció mennyiségi jellemzője [2] .

Betűvel jelölve a Nemzetközi Mértékegységrendszerben (SI) C / m 2 -ben mérik . ${\mathbf {P}}$

Definíció

A polarizáció az egységnyi térfogatra jutó elektromos dipólusmomentum:

{\vec {P}}={\frac {\vec {p}}{V}}={\frac {1}{V}}\sum _{i}^{N}{\vec { p}}_{i}

ahol az edik egyedi atom dipólusmomentuma , a térfogatban lévő atomok száma és az összes atom dipólusmomentuma. ${\vec {p}}_{i}$ $én$ $N$ $V$ ${\vec {p}}$

Inhomogén közeg esetén a polarizációt úgy fejezzük ki

{\vec {P}}={\frac {d{\vec {p}}}{dV}}

ahol az atomok teljes dipólusmomentuma a térfogatban , és a koordináták függvénye. $d{\vec {p}}$ $dV$

Fizikai természet

A dielektromos polarizációt az anyag molekuláiban a töltések lokális eltolódása okozza egy külső elektromos térben, összehasonlítva a tér hiányában elfoglalt helyükkel. Mikroszkopikus szinten ennek az eltolódásnak az oka lehet az elektronhéj elmozdulása az atommaghoz képest , vagy a saját dipólusmomentummal rendelkező molekulák átorientációja .

Ennek eredményeként a dielektrikumban az elektromos semlegesség lokális megsértése lép fel, vagyis megjelenik az úgynevezett „kötött” töltés - térfogati ( , b szimbólum angolul bound , C/m 3 ) vagy felületi ( , C/m 2 ) . A töltéssűrűség a tér egy adott pontjában a "harmadik fél" (más néven "szabad" , angolul free ) és a hozzá tartozó : sűrűségeinek összege. A kötött töltés ugyanazon a helyen jelenik meg, ahol harmadik fél töltése van, valamint a dielektrikum inhomogenitásának helyén és határain. Összességében a teljes dielektrikumon a kötött töltés mindig nulla. ${\displaystyle \rho _{b))$ $\sigma _{b}$ ${\displaystyle \rho _{f))$ ${\displaystyle \rho =\rho _{f}+\rho _{b))$

A kötött töltés térfogatsűrűségét a polarizációs divergenciával fejezzük ki:

\rho _{b}=-{\rm {{div}\,{\vec {P))))

A kötött töltés felületi sűrűsége a dielektrikum-vákuum határfelületen a felületre merőleges polarizációs komponensen keresztül érhető el:

\sigma _{b}=P_{n}=\mathbf {P} \cdot \mathbf {n}

ahol a felület normáljának egységvektora . $\mathbf {n}$

Bevezetheti az elektromos indukció vektorát , amely kényelmes az elektromos tér folyamatos közegben történő leírására: $\mathbf {D}$

{\mathbf D}=\varepsilon _{0}{\mathbf E}+{\mathbf P}

(SI)

{\mathbf D}={\mathbf E}+4\pi {\mathbf P}

(GHS)

Az elektrodinamikai egyenletek felírásakor különbséget kell tenni az említett töltéssűrűség típusok között. Például az egyik Maxwell -egyenlet pontosan így néz ki , és az f ikon eltávolítható vagy vákuum miatt, vagy ha ki van írva, hogy ebben az összefüggésben a külső töltést index nélkül jelöljük. ${\displaystyle {\rm {{div}{\vec {D}}=\rho _{f))))$

A polarizációs vektor indukált és spontán polarizációt egyaránt képes jellemezni, azaz mind a közönséges dielektrikumok, mind a ferroelektrikumok polarizációs állapotának leírására használható .

Kapcsolat az elektromos térrel

Alapvetően a polarizáció és a polarizációt okozó elektromos tér közötti kapcsolat lineáris, nevezetesen:

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

( SI rendszerben )

\mathbf {P} =\chi _{e}\mathbf {E} \,

(a CGS rendszerben ),

hol van a dielektromos szuszceptibilitás . Anizotróp anyag esetén a polarizáció és a tér közötti összefüggést a polarizálhatósági tenzor adja meg : $\chi _{e}$

\mathbf {P} ={\hat {\alpha }}\mathbf {E}

Bizonyos anyagok polarizálódhatnak elektromos tér hiányában. Ilyen anyagok közé tartoznak a piroelektromos anyagok – spontán polarizációjú kristályos anyagok és elektretek – olyan amorf anyagok , amelyekben a mező által kiváltott polarizáció hosszú ideig fennmaradhat.

Változó mezős eset

Váltakozó elektromos tér esetén a közeg némi késéssel reagálhat a tér változására. Ebben az esetben az adott pillanatban a polarizáció a korábbi időpontokban alkalmazott elektromos tér erősségétől függ. Ilyen esetekben idődiszperzióról beszélünk, és így néz ki a polarizáció és az elektromágneses tér közötti kapcsolat

{\displaystyle \mathbf {P} (t)=\int \limits _{0}^{\infty }{\hat {\alpha }}(t^{\prime })\mathbf {E} (tt^{ \prime })dt^{\prime ))

A polarizáció és az elektromos térerősség Fourier-képei ebben az esetben lineáris összefüggésben állnak: , ahol $\mathbf {(} P)_{\omega }={\kalap {\alpha }}(\omega )\mathbf {E} _{\omega }$

{\hat {\alpha }}(\omega )=\int \limits _{0}^{\infty }{\hat {\alpha }}(t)e^{i\omega t}dt

Ha az elektromágneses tér inhomogén a térben, mint például az elektromágneses hullámok terjedése esetén , és kölcsönhatásba lép az anyag gerjesztésével, amelynek hullámhossza az elektromágneses hullám nagyságrendje, akkor a polarizáció értéke egy bizonyos ponton A tér a tér szomszédos pontjaiban lévő elektromos térerősség értékétől függ. Ilyen esetekben térbeli szóródásról beszélünk..

{\displaystyle \mathbf {P} (t,\mathbf {r} )=\int d^{3}r^{\prime }\int \limits _{0}^{\infty }{\hat {\alpha ))(t^{\prime },\mathbf {r} ^{\prime })\mathbf {E} (tt^{\prime },\mathbf {r} -\mathbf {r} ^{\prime } )dt^{\prime ))

Erős elektromos térben a polarizáció és az elektromos tér közötti kapcsolat eltérhet a lineáristól. Az ebben az esetben felmerülő jelenségeket például a nemlineáris optikában tanulmányozzák .

Lásd még

Mágnesezési vektor

Jegyzetek

↑ GOST R 52002-2003 http://www.gostrf.com/normadata/1/4294816/4294816193.pdf Archiválva : 2021. május 10. a Wayback Machine -nél
↑ Sivukhin D.V. A fizika általános kurzusa. - M . : Nauka , 1977. - T. III. Elektromosság. — 688 p. - 61. oldal