Активные свойства диэлектриков

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

2. Два вида диэлектриков.

Существующие диэлектрики можно разбить на два вида:

полярные, состоящие из таких молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают;

неполярные, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. Следовательно, молекулы у этих диэлектриков разные.

К полярным диэлектрикам относятся спирты, вода и другие вещества; к неполярным - инертные газы, кислород, водород, бензол, полиэтилен и др.

Существуют два вида диэлектриков: полярные и неполярные. Они различаются строением молекул.

3. Поляризация неполярных диэлектриков.

Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поляризуется. Под действием поля положительные и отрицательные заряды его молекулы смещаются в противоположные стороны и центры распределения положительного и отрицательного зарядов перестают совпадать, как и у полярной молекулы. Молекулы растягиваются (рис.14.24). Такие деформированные молекулы можно рассматривать как электрические диполи, оси которых направлены вдоль поля. На поверхностях диэлектрика, примыкающих к заряженным пластинам, появляются связанные заряды, как и при поляризации полярного диэлектрика.

В результате поляризации возникает поле, создаваемое связанными поляризованными зарядами и направленное против внешнего поля (рис.14.25). Если напряженность внешнего поля E0, а напряженность поля, создаваемого поляризованными зарядами, E1, то напряженность поля внутри диэлектрика равна:

Как видим, поле внутри диэлектрика ослабляется. Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика.

В электрическом поле связанные заряды диэлектрика смещаются в противоположные стороны, происходит поляризация диэлектрика. Поляризованный диэлектрик сам создает электрическое поле. Независимо от вида диэлектрика напряженность поля в нем всегда меньше напряженности внешнего поля, вызвавшего его поляризацию.

4. Поляризация полярных диэлектриков. Полярный диэлектрик состоит из молекул, которые можно рассматривать как электрические диполи. Тепловое движение приводит к беспорядочной ориентации диполей (рис.14.20), поэтому на поверхности диэлектрика, а также и в любом его объеме, содержащем большое число молекул (выделенный прямоугольник на рисунке 14.20), электрический заряд в среднем равен нулю. Напряженность электрического поля в диэлектрике в среднем также равна нулю.

Поместим диэлектрик между двумя параллельными металлическими пластинами, несущими заряды противоположного знака. Если размеры пластин много больше расстояния между ними, то поле между пластинами однородно. Со стороны этого поля на каждый электрический диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю, но противоположные по направлению (рис.14.21). Они создадут момент сил, стремящийся повернуть диполь так, чтобы его ось была направлена по силовым линиям поля (рис.14.22). При этом положительные заряды смещаются в направлении электрического поля, а отрицательные - в противоположную сторону.

Смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны называют поляризацией.

Однако тепловое движение препятствует созданию упорядоченной ориентации всех диполей. Только при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, все диполи выстраивались бы вдоль силовых линий. Таким образом, под влиянием поля происходит лишь частичная ориентация электрических диполей. Это означает, что в среднем число диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем число диполей, ориентированных против поля. На рисунке 14.23 видно, что у положительно заряженной пластины на поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а у отрицательно заряженной - положительные. В результате на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды диполей компенсируют друг друга и средний поляризованный связанный электрический заряд по-прежнему равен нулю.

5. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ - важнейшая эл--динамич. характеристика среды (газа, жидкости, твёрдого тела, нейтронного вещества), частицы к-рой обладают зарядом или магн. моментом; понятие Д. п. иногда распространяют и на непротяжённые системы (атом, ядро, нуклоны). Д. п. описывает как внутр. свойства среды (спектр возбуждений, взаимодействие частиц), так и результат воздействия на неё внеш. зарядов или токов (неупругое рассеяние заряж. частиц, прохождение эл--магн. волн). Д. п. содержится в материальных ур-ниях, к-рые дополняют систему Максвелла уравнений, делая её замкнутой.

Определение и общие свойства. В простейшем статич. случае Д. п. (наз. также статич. Д. п.) показывает, во сколько раз уменьшится кулоновское взаимодействие зарядов, не испытывающих обратного влияния среды, при переносе их из вакуума в данную среду (см. Кулона закон). Одновременно Д. п. связывает материальным ур-нием электрич. индукцию D с напряжённостью E электрич. поля в среде (см. Диэлектрики). Величина статич. Д. п. меняется от значений близких к 1 (в системе СГСЕ) для газов до 104 для нек-рых сегнето-электриков (табл.). Она зависит от структуры вещества и внеш. условий, напр. темп-ры T.

В общем случае переменного поля и анизотропной среды Д. п. представляет собой зависящий от координат (r)и времени (t)комплексный тензор , входящий в материальное ур-ние:

Оно отвечает слабым полям E и D (о Д. п. в случае сильных полей см. в ст. Нелинейная оптика). Свойства Д. п. формулируются ниже применительно к случаям однородной и кристаллич. равновесных сред.

Однородная среда описывается Д. п. , к-рая является компонентой тензора Фурье Д. п. , входящего в ур-ние (1), попеременным . Зависимость Д. п. от частоты (частотная дисперсия) и от волнового вектора k (дисперсия пространственная)отражает тот факт, что внеш. воздействие на среду в момент t0 в точке меняет её состояние нелокальным образом (также и в момент в точке r не равной r0 ). Тензор Д. п. удовлетворяет условиям:

Его можно выразить через тензор среды , связывающий компоненты векторов плотности тока j и поля Е:

- символ Кронекера. В изотропной среде (если отвлечься от эффектов гиротропии) тензор Д. п. сводится к двум скалярным величинам - продольной Д. п. и поперечной , зависящим от и :

Неопределённость в величинах D и напряжённости магн. поля H оставляет нек-рый произвол в выборе Часто принимают . Такая Д. п. несёт информацию только об электрич. свойствах среды, а её магн. свойства описываются магнитной проницаемостью , входящей в материальное ур-ние , где В - магнитная индукция .Др. выбор, используемый ниже, отвечает равенству Н=B. При этом =1, а электрич. и магн. свойства среды описываются соответственно величинами и . При справедливо равенство , причём величина совпадает со статич. диэлектрич. проницаемостью . Величина в случае разреженного газа нейтральных частиц (атомов или молекул с поляризуемостью и концентрацией п) равна , приобретая при учёте эффектов локального поля дополнительный фактор (см. Лоренц - Лоренца формула).

С помощью ур-ний Максвелла выражению (1, а) можно придать вид соотношения между внешними, сторонними (индекс "е" вверху) и полными (без индекса) плотностями заряда и поперечными компонентами плотности тока j:

Такое определение Д. п. имеет прямой микроскопич. смысл и не требует усреднения или сглаживания физ. величин по пространству или времени. Равенство нулю знаменателей в (3) определяет спектр продольных и поперечных собств. колебаний среды (нормальных волн), к-рые существуют и при отсутствии внеш. источников.

Наиб. общие свойства Д. п. следуют из теории линейных ф-ций отклика (обобщённых восприимчивостей), к-рая основывается на гамильтониане , описывающем малое внеш. воздействие I на среду (- динамич. характеристика среды, сопряжённая I). Обобщённая восприимчивость R устанавливает связь между

ср. значением и I:

Как видно из (3), в электродинамике обобщёнными восприимчивостями служат не , а компоненты ф-ции Грина фотона в среде: (роль I играют плотности внешних зарядов и тока, роль С - компоненты потенциала).

Для продольной восприимчивости справедливы след. общие соотношения: её мнимая часть, описывающая поглощение в среде и отличная от 0 при , даётся флуктуационно-диссипативной теоремой:

где К - компонента Фурье корреляционной ф-ции

,

T - темп-pa среды. Сама продольная восприимчивость даётся Кубо формулой:

;

- фурье-компонента оператора плотности заряда, V - объём среды, ведущей к аналитич. в верхней полуплоскости функции. Это приводит к Крамерса-Кронига соотношению:

из к-рого следует неравенство:

Или

Для статич. Д. п. (5) совпадает с критерием стабильности среды относительно спонтанного появления волн зарядовой плотности. Существует ряд правил сумм для мнимой части Д. п., в частности:

где i -номер сорта частиц среды, -их заряд, плотность заряда и масса, - плазменная частота. Сама Д. п. к числу обобщённых восприимчивостей не относится и для неё нет соотношений типа приведённых выше. Исключение составляет дисперсионное соотношение при k=0, точнее при (где L - линейный размер среды), к-рое может быть получено без использования гамильтониана, непосредственно из причинности принципа - равенства нулю величины в (4) при t<t'. Это даёт:

и как следствие:

Из (5), (6) следует, что значения Д. п. в интервале от 0 до 1 ("диаэлектричество") недопустимы. Вместе с тем при возможны отрицат. значения , т. е. возможно притяжение между одноимёнными тяжёлыми зарядами, помещёнными в среду. Существует широкий класс таких сред (им свойственно сильное кулоновское взаимодействие между частицами): неидеальная плазма, ионные расплавы, электролиты, нек-рые металлы. Для поперечной обобщённой восприимчивости справедливы аналогичные, но более сложные соотношения. В частности, статич. магн. проницаемость подчиняется неравенству:

В отличие от отрицат. Значения недопустимы, но зато эта величина может быть <1, что соответствует диамагнетизму.