Поляризация диэлектриков
Происходит вследствие смещения электрических зарядов в диэлектрике атомов, молекул, ионов под действием приложенного напряжения. С поляризацией диэлектрика связана одна из важнейших характеристик - диэлектрическая проницаемость вещества e.
Диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз электрическое поле в диэлектрике меньше электрического поля в вакууме и дает возможность судить об интенсивности процессов поляризации и качестве диэлектрика. Поляризация диэлектрика определяется суммарным действием различных механизмов поляризации. Температурная и частотная зависимость диэлектрической проницаемости несут информацию о механизмах поляризации и их относительном вкладе в поляризацию диэлектрика.
Рассматривая явления поляризации необходимо отметить две группы:
упругая поляризация, протекающая практически мгновенно под действием электрического поля, не сопровождающаяся рассеянием (потерями) энергии в диэлектрике (выделением теплоты);
релаксационная поляризация, нарастающая и убывающая в течение некоторого промежутка времени и сопровождающаяся рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием.
В диэлектрике наличие электрического поля не препятствует равновесию зарядов. Сила, действующая на заряды в диэлектрике со стороны электрического поля, уравновешивается внутримолекулярными силами, удерживающими заряды в пределах молекулы диэлектрика, так что в диэлектрике возможно равновесие зарядов, несмотря на наличие электрического поля.
Проводники́ — это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этих тел. Проводники бывают первого и второго рода. К проводникам первого рода относят те проводники, в которых имеется электронная проводимость (посредством движения электронов). К проводникам второго рода относят проводники с ионной проводимостью (электролиты). В любой точке внутри проводника напряженность электрического поля равна нулю. Действительно, при невыполнении этого условия свободные заряды в проводнике под действием сил поля пришли бы в движение, и равновесие было бы нарушено.
Сегнетоэлектрики — диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью, т. е. поляризованностью в отсутствие внешнего электрического поля. К сегнетоэлектрикам относятся, например, детально изученные И. В. Курчатовым (1903—1960) и П. П. Кобеко (1897—1954) сегнетова соль NaKC4H4O6 • 4Н2О (от нее и получили свое название сегнетоэлектрики) и титанат бария ВаТiO3.
При
отсутствии внешнего электрического
поля сегнетоэлектрик представляет
собой как бы мозаику
из
доменов
— областей с различными направлениями
поляризованности. Это схематически
показано на примере титаната бария
(рис. 139), где стрелки и знаки
,
Å указывают направление вектора Р.
Так как в смежных доменах эти направления
различны, то в целом дипольный момент
диэлектрика равен нулю. При внесении
сегнетоэлектрика во внешнее поле
происходит переориентация дипольных
моментов доменов по полю, а возникшее
при этом суммарное электрическое поле
доменов будет поддерживать их некоторую
ориентацию и после прекращения действия
внешнего поля. Поэтому сегнетоэлектрики
имеют аномально большие значения
диэлектрической проницаемости (для
сегнетовой соли, например, emax»104).
Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика имеется определенная температура, выше которой его необычные свойства исчезают и он становится обычным диэлектриком. Эта температура называется точкой Кюри (в честь французского физика Пьера Кюри.
Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых параллельных пластин (называемых обкладками), находящихся на малом расстоянии друг от друга и разделенных слоем диэлектрика. На пластины от источника питания подаются заряды одинаковые по модулю, но противоположные по знаку. Таким образом, между пластинами возникает разность потенциалов. Все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора и однородно. Существует огромный природный конденсатор. Облако и Земля- это разноименные обкладки конденсатора. Молния- разряд конденсатора. Под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение одной из обкладок. Электроемкость- это физическая величина, характеризующая способность двух проводников накапливать электрический заряд. Единица электроемкости в системе СИ названа в честь великого ученого Майкла Фарадея и называется фарад. Электроемкость двух проводников равна одному фараду, если при сообщении им заряда в один кулон между ними возникает разность потенциалов один вольт. Один фарад - это очень большая величина, поэтому на практике используют мкФ, нФ, пФ. Но электроемкость не зависит ни от сообщенного проводникам заряда, ни от возникающей между ними разности потенциалов. Емкость конденсатора определяется геометрическими размерами проводников, формой, расположением и , конечно, диэлектрической проницаемостью среды. Чтобы зарядить конденсатор, нужно совершить работу по разделению положительных и отрицательных зарядов. Согласно закону сохранения энергии эта работа равна энергии конденсатора, которую можно определить по трем, приведенным на слайде, формулам. W=q2/2С= СU2/2 =qU/2.
Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:
Выразим силу и плотность тока через скорость v упорядоченного движения зарядов в проводнике. Если концентрация носителей тока равна n и каждый носитель имеет элементарный заряд е (что не обязательно для ионов), то за время dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд dQ=ne v S dt. Сила тока
а плотность тока
(96.1)
Плотность тока — вектор, ориентированный по направлению тока, т. е. направление вектора j совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока — ампер на метр в квадрате (А/м2).
Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора j, т. е.
(96.2)
где dS=ndS (n — единичный вектор нормали к площадке dS, составляющей с вектором j угол ).