ไดอิเล็กตริกในสนามไฟฟ้า

สสารทุกชนิดที่มนุษย์รู้จักนั้นสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ในองศาต่างๆ กัน บางชนิดนำกระแสไฟฟ้าได้ดีกว่า บางชนิดนำไฟฟ้าได้แย่กว่า บางชนิดนำกระแสไฟฟ้าแทบไม่ได้เลย ตามความสามารถนี้ สารจะถูกแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก:

• ไดอิเล็กทริก;

• เซมิคอนดักเตอร์;

• ตัวนำ

ไดอิเล็กตริกในอุดมคติไม่มีประจุที่สามารถเคลื่อนที่ได้ในระยะทางไกลมาก นั่นคือไม่มีประจุอิสระในไดอิเล็กตริกในอุดมคติ อย่างไรก็ตาม เมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้าสถิตภายนอก อิเล็กทริกจะทำปฏิกิริยากับมัน ไดอิเล็กตริกโพลาไรเซชันเกิดขึ้น นั่นคือ ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า ประจุในไดอิเล็กตริกจะถูกแทนที่ คุณสมบัตินี้เป็นความสามารถของไดอิเล็กตริกในการโพลาไรซ์ เป็นคุณสมบัติพื้นฐานของไดอิเล็กตริก

ดังนั้น โพลาไรเซชันของไดอิเล็กตริกจึงประกอบด้วยองค์ประกอบสามประการของความสามารถในการโพลาไรซ์:

• อิเล็กทรอนิกส์;

• จอนนา ;

• ไดโพล (ปฐมนิเทศ).

ในโพลาไรเซชัน ประจุจะถูกแทนที่ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าสถิต เป็นผลให้แต่ละอะตอมหรือแต่ละโมเลกุลสร้างโมเมนต์ไฟฟ้า P

ประจุของไดโพลภายในไดอิเล็กตริกได้รับการชดเชยร่วมกัน แต่บนพื้นผิวภายนอกที่อยู่ติดกับอิเล็กโทรดซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดสนามไฟฟ้า ประจุที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิวจะปรากฏขึ้นซึ่งมีเครื่องหมายตรงกันข้ามกับประจุของอิเล็กโทรดที่เกี่ยวข้อง

สนามไฟฟ้าสถิตของประจุที่เกี่ยวข้อง E' จะถูกกำกับโดยสนามไฟฟ้าสถิตภายนอก E0 เสมอ ปรากฎว่าภายในอิเล็กทริกมีสนามไฟฟ้าเท่ากับ E = E0 — E '

ถ้าวัตถุที่ทำจากไดอิเล็กตริกในรูปของขนานถูกวางไว้ในสนามไฟฟ้าสถิตที่มีความแรง E0 ดังนั้น โมเมนต์ไฟฟ้าของมันสามารถคำนวณได้โดยสูตร: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ โดยที่ σ' คือ ความหนาแน่นพื้นผิวของประจุที่เกี่ยวข้อง และ φ คือมุมระหว่างพื้นผิวของพื้นที่ S กับค่าปกติของมัน

นอกจากนี้ เมื่อทราบ n — ความเข้มข้นของโมเลกุลต่อหน่วยปริมาตรของไดอิเล็กตริกและ P1 — โมเมนต์ไฟฟ้าของหนึ่งโมเลกุล เราสามารถคำนวณค่าของเวกเตอร์โพลาไรเซชันได้ นั่นคือ โมเมนต์ไฟฟ้าต่อหน่วยปริมาตรของไดอิเล็กตริก

เมื่อแทนปริมาตรของ V = SlCos φ แบบขนานแล้ว จึงสรุปได้ง่ายว่าความหนาแน่นพื้นผิวของประจุโพลาไรเซชันมีค่าเท่ากับองค์ประกอบปกติของเวกเตอร์โพลาไรเซชัน ณ จุดที่กำหนดบนพื้นผิว ผลลัพธ์เชิงตรรกะคือสนามไฟฟ้าสถิต E' ที่เกิดขึ้นในไดอิเล็กตริกมีผลกับองค์ประกอบปกติของสนามไฟฟ้าสถิตภายนอก E เท่านั้น

หลังจากเขียนโมเมนต์ไฟฟ้าของโมเลกุลในรูปของแรงดัน ความสามารถในการเกิดขั้ว และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของสุญญากาศแล้ว สามารถเขียนเวกเตอร์โพลาไรเซชันได้ดังนี้

โดยที่ α คือความสามารถในการเกิดขั้วของหนึ่งโมเลกุลของสารที่กำหนด และ χ = nα คือความไวต่อไดอิเล็กตริก ซึ่งเป็นปริมาณที่มองเห็นด้วยตาเปล่าที่แสดงลักษณะของโพลาไรเซชันต่อหน่วยปริมาตร ความไวต่อไดอิเล็กทริกเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติ

ดังนั้นสนามไฟฟ้าสถิตที่เป็นผลลัพธ์ E จะเปลี่ยนไปเมื่อเทียบกับ E0 ซึ่งเป็นส่วนประกอบปกติเท่านั้น องค์ประกอบวงสัมผัสของสนาม (ชี้ไปที่พื้นผิวสัมผัส) ไม่เปลี่ยนแปลง ด้วยเหตุนี้ ในรูปแบบเวกเตอร์ ค่าของความแรงของสนามที่ได้จึงเขียนได้:

ค่าของความแรงของสนามไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นในไดอิเล็กตริกจะเท่ากับความแรงของสนามไฟฟ้าสถิตภายนอกหารด้วยค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวกลาง ε:

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวกลาง ε = 1 + χ เป็นคุณสมบัติหลักของไดอิเล็กตริกและบ่งบอกถึงคุณสมบัติทางไฟฟ้า ความหมายทางกายภาพของคุณลักษณะนี้คือมันแสดงให้เห็นว่าความแรงของสนาม E ในสื่อไดอิเล็กตริกที่กำหนดนั้นมีค่าน้อยกว่าความแรงของ E0 ในสุญญากาศกี่เท่า:

เมื่อผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่ง ความแรงของสนามไฟฟ้าสถิตจะเปลี่ยนไปอย่างรวดเร็ว และกราฟของการพึ่งพาความแรงของสนามบนรัศมีของลูกบอลไดอิเล็กตริกในตัวกลางที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ε2 แตกต่างจากค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของลูกบอล ε1สะท้อนสิ่งนี้:

เฟอร์โรอิเล็กทริก

พ.ศ. 2463 เป็นปีแห่งการค้นพบปรากฏการณ์โพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง กลุ่มของสารที่ไวต่อปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเฟอร์โรอิเล็กทริกหรือเฟอร์โรอิเล็กทริก ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าเฟอร์โรอิเล็กทริกมีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติแบบแอนไอโซโทรปี ซึ่งสามารถสังเกตปรากฏการณ์เฟอร์โรอิเล็กทริกได้ตามแกนคริสตัลอันใดอันหนึ่งเท่านั้น ในไอโซโทรปิกไดอิเล็กตริก โมเลกุลทั้งหมดจะถูกโพลาไรซ์ในลักษณะเดียวกันสำหรับแอนไอโซโทรปิก — ในทิศทางที่ต่างกัน เวกเตอร์โพลาไรเซชันจะมีทิศทางต่างกัน

เฟอร์โรอิเล็กทริกมีความโดดเด่นด้วยค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ε สูงในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด:

ในกรณีนี้ ค่าของ ε ขึ้นอยู่กับทั้งสนามไฟฟ้าสถิตภายนอก E ที่ใช้กับตัวอย่างและประวัติของตัวอย่าง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและโมเมนต์ไฟฟ้าที่นี่ไม่ขึ้นอยู่กับแรง E ดังนั้นเฟอร์โรอิเล็กทริกจึงอยู่ในไดอิเล็กตริกแบบไม่เชิงเส้น

เฟอโรอิเล็กทริกมีลักษณะเฉพาะตามจุดคูรี นั่นคือ เริ่มตั้งแต่อุณหภูมิหนึ่งขึ้นไป เอฟเฟ็กต์เฟอโรอิเล็กทริกจะหายไป ในกรณีนี้ การเปลี่ยนเฟสของลำดับที่สองเกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น สำหรับแบเรียมไททาเนต อุณหภูมิของจุดคูรีคือ + 133 ° C สำหรับเกลือ Rochelle จาก -18 ° C ถึง + 24 ° C สำหรับลิเธียมไนโอเบต + 1210 องศาเซลเซียส

เนื่องจากไดอิเล็กตริกมีโพลาไรซ์แบบไม่เชิงเส้น ฮิสเทอรีซิสไดอิเล็กตริกจึงเกิดขึ้นที่นี่ ความอิ่มตัวเกิดขึ้นที่จุด «a» ของกราฟ Ec - แรงบีบบังคับ, Pc - โพลาไรเซชันที่เหลือ เส้นโค้งโพลาไรเซชันเรียกว่าลูปฮิสเทรีซิส

เนื่องจากแนวโน้มไปสู่พลังงานศักย์ต่ำสุด เช่นเดียวกับข้อบกพร่องที่มีอยู่ในโครงสร้าง เฟอร์โรอิเล็กทริกจึงแตกออกเป็นโดเมนภายใน โดเมนมีทิศทางของโพลาไรเซชันต่างกัน และในกรณีที่ไม่มีสนามภายนอก โมเมนต์ไดโพลทั้งหมดจะเกือบเป็นศูนย์

ภายใต้การกระทำของสนาม E ภายนอก ขอบเขตของโดเมนจะเปลี่ยนไป และบางส่วนของพื้นที่โพลาไรซ์ที่เกี่ยวข้องกับสนามมีส่วนทำให้เกิดการโพลาไรซ์ของโดเมนในทิศทางของสนาม E

ตัวอย่างที่ชัดเจนของโครงสร้างดังกล่าวคือการดัดแปลง BaTiO3 แบบ tetragonal

ในสนาม E ที่มีความเข้มเพียงพอ ผลึกจะกลายเป็นโดเมนเดียว และหลังจากปิดสนามภายนอก โพลาไรเซชันจะยังคงอยู่ (นี่คือโพลาไรเซชันที่เหลือ Pc)

ในการทำให้ปริมาตรของภูมิภาคเท่ากันด้วยเครื่องหมายตรงกันข้าม จำเป็นต้องใช้สนามไฟฟ้าสถิตภายนอก Ec ซึ่งเป็นสนามบีบบังคับในตัวอย่างในทิศทางตรงกันข้าม

ช่างไฟฟ้า

ในบรรดาไดอิเล็กตริกนั้นมีอะนาล็อกทางไฟฟ้าของแม่เหล็กถาวร - อิเล็กโทรด เหล่านี้เป็นไดอิเล็กตริกพิเศษที่สามารถรักษาโพลาไรเซชันได้เป็นเวลานานแม้ว่าจะปิดสนามไฟฟ้าภายนอกแล้วก็ตาม

เพียโซอิเล็กทริก

ในธรรมชาติมีไดอิเล็กตริกที่โพลาไรซ์โดยผลกระทบเชิงกลกับพวกมัน คริสตัลถูกโพลาไรซ์โดยการเสียรูปทางกล ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าผลเพียโซอิเล็กทริก เปิดให้บริการในปี 1880 โดยพี่น้อง Jacques และ Pierre Curie

บทสรุปมีดังต่อไปนี้ ที่ขั้วไฟฟ้าโลหะที่อยู่บนพื้นผิวของผลึกเพียโซอิเล็กทริก ความต่างศักย์จะเกิดขึ้นในขณะที่คริสตัลเสียรูป หากขั้วไฟฟ้าถูกปิดด้วยลวด กระแสไฟฟ้าจะปรากฏในวงจร

ปฏิกิริยาเพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับก็เป็นไปได้เช่นกัน — โพลาไรเซชันของคริสตัลนำไปสู่การเสียรูป เมื่อจ่าย แรงดันไฟฟ้าไปยังอิเล็กโทรดที่ใช้กับคริสตัลเพียโซอิเล็กทริก มันจะเป็นสัดส่วนกับความแรงของสนามที่ใช้ E0 ปัจจุบันวิทยาศาสตร์รู้จักเพียโซอิเล็กทริกมากกว่า 1,800 ชนิด เฟอร์โรอิเล็กทริกทั้งหมดในเฟสขั้วแสดงคุณสมบัติของเพียโซอิเล็กทริก

ไพโรอิเล็กทริก

ผลึกไดอิเล็กตริกบางชนิดเกิดโพลาไรซ์เมื่อถูกความร้อนหรือเย็นลง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าไพโรอิเล็กทริกตัวอย่างเช่น ปลายด้านหนึ่งของตัวอย่างไพโรอิเล็กทริกจะกลายเป็นประจุลบเมื่อได้รับความร้อน ในขณะที่ปลายอีกด้านหนึ่งมีประจุเป็นบวก และเมื่อเย็นตัวลง ปลายที่มีประจุลบเมื่อได้รับความร้อนจะกลายเป็นประจุบวกเมื่อเย็นลง เห็นได้ชัดว่าปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชันเริ่มต้นของสารที่มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

ไพโรอิเล็กทริกทุกตัวมี คุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกแต่ไม่ใช่ทุกเพียโซอิเล็กทริกจะเป็นไพโรอิเล็กทริก ไพโรอิเล็กทริกบางชนิดมีคุณสมบัติเป็นเฟอร์โรอิเล็กตริก กล่าวคือ พวกมันมีความสามารถในการโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง

รางไฟฟ้า

ที่ขอบเขตของสื่อสองตัวที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่างกันความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าสถิต E จะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ณ จุดที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วใน ε

เพื่อให้การคำนวณทางไฟฟ้าสถิตง่ายขึ้น จึงมีการแนะนำเวกเตอร์การกระจัดทางไฟฟ้าหรือการเหนี่ยวนำไฟฟ้า D

เนื่องจาก E1ε1 = E2ε2 ดังนั้น E1ε1ε0 = E2ε2ε0 ซึ่งหมายความว่า:

นั่นคือ ในระหว่างการเปลี่ยนจากสภาพแวดล้อมหนึ่งไปอีกสภาพแวดล้อมหนึ่ง เวกเตอร์การกระจัดทางไฟฟ้ายังคงไม่เปลี่ยนแปลง นั่นคือ การเหนี่ยวนำไฟฟ้า แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนในรูป:

สำหรับจุดประจุในสุญญากาศ เวกเตอร์การกระจัดทางไฟฟ้าคือ:

เช่นเดียวกับฟลักซ์แม่เหล็กสำหรับสนามแม่เหล็ก ไฟฟ้าสถิตใช้ฟลักซ์ของเวกเตอร์การกระจัดทางไฟฟ้า

ดังนั้น สำหรับสนามไฟฟ้าสถิตที่สม่ำเสมอ เมื่อเส้นของเวกเตอร์การกระจัดทางไฟฟ้า D ตัดผ่านบริเวณ S ที่มุม α กับค่าปกติ เราสามารถเขียนได้ดังนี้

ทฤษฎีบท Ostrogradsky-Gauss สำหรับเวกเตอร์ E ทำให้เราได้ทฤษฎีบทที่สอดคล้องกันสำหรับเวกเตอร์ D

ดังนั้น ทฤษฎีบทออสโตรกราดสกี-เกาส์สำหรับเวกเตอร์การกระจัดทางไฟฟ้า D มีลักษณะดังนี้:

ฟลักซ์ของเวกเตอร์ D ผ่านพื้นผิวปิดใดๆ ถูกกำหนดโดยประจุอิสระเท่านั้น ไม่ใช่โดยประจุทั้งหมดภายในปริมาตรที่ล้อมรอบด้วยพื้นผิวนั้น

ตัวอย่างเช่น เราสามารถพิจารณาปัญหาเกี่ยวกับไดอิเล็กตริกที่ขยายอย่างไม่มีที่สิ้นสุดสองตัวที่มี ε ต่างกัน และส่วนต่อประสานระหว่างสื่อสองตัวที่ถูกเจาะโดยสนามภายนอก E

ถ้า ε2> ε1 ให้พิจารณาว่า E1n / E2n = ε2 / ε1 และ E1t = E2t เนื่องจากเฉพาะองค์ประกอบปกติของเวกเตอร์ E เท่านั้นที่เปลี่ยนแปลง ทิศทางของเวกเตอร์ E เท่านั้นที่เปลี่ยนไป

เราได้กฎการหักเหของความเข้มของเวกเตอร์ E

กฎการหักเหของเวกเตอร์ D คล้ายกับ D = εε0E และแสดงในรูป: