Статическое поле в веществе. Электрический диполь. Поляризованные заряды. Поляризованность

По электропроводности материалы делятся:

Проводники (металлы, электролиты)

Полупроводники (германий, кремний)

Диэлектрики (стекло, вата)

Диэлектрики проводят электрический ток 1015 1020 раз хуже чем проводники

Молекулы и атомы, диэлектрики в целом электрически нейтральны. Электрические заряды в атомах и молекулах связаны друг с другом и не могут перемещаться по всему объему диэлектрика. Также заряды называются поляризованными, связанными. Заряды, которые могут перемещаться называются свободными (сторонними).

В зависимости от строения молекул различают три типа диэлектриков

1.Неполярные

2.Полярные

3.Кристаллические

Если в отсутствии внешнего электрического поля E=0,центры распределения положительных и отрицательных зарядов смещаются в противоположные стороны на малое расстояние по сравнению с размерами молекул.

Такую молекулу рассматривают как упругий диполь.

Электрический диполь – система двух равных по величине, но противоположные по знаку электрических зарядов, находящихся близко друг к другу по сравнению с расстояниями, на которых рассматривается этот диполь.

Основная характеристика диполя – электрический дипольный момент

Это произведение положительного заряда на плечо.

Если в отсутствии внешнего электрического поля распределения положительных и отрицательных зарядов молекул не совпадают из-за ассиметричного строения молекулы называется полярной, а диэлектрик –полярным.

Полярным диэлектриком является вода.

При отсутствии внешнего поля дипольные моменты отдельных молекул ориентированы хаотично в силу теплового движения молекул и в целом диэлектрик не имеет дипольного момента.

Во внешнем электрическом поле диполи ориентируются по полу и дипольный момент диэлектрика отмечают 0.

Кристаллические диэлектрики имеют ионное строение, во внешнем поле происходит смещение положительных и отрицательных ионов,диэлектрики приобретают дипольный момент.

Поляризация диэлектрика:

Во внешнем эл.поле есть переход диэлектрика в такое состояние, когда дипольный момент всего объема отличен от 0.

За меру поляризации диэлектрика принимают поляризованность.
–дипольный момент единицы объема

Суммирование происходит по всем дипольным моментам находящимся в объеме V.

Единицы измерения дипольного момента

[p]=

10 сегнетоэлектрики

При внесени диэлектрика во внешнее электрическое поле результирующий дипольный момент молекул диэлектрика становится отличным от нуля, тоесть диэлектрик поляризуется.

Поляризацией диэлектрика называется переход в такое состояние, когда внутри бесконечно малого объема ∆V диэлектрика геометрическая сумма векторов дипольных моментов отлична от нуля:. Поляризация диэлектрика характеризуется поляризованностью (вектором поляризации) – физической величиной численно равной отношению суммарного дипольного момента молекул в бесконечно малом объеме диэлектрика к величине этого объема:,, где n-число молекул в объеме ∆V

Для изотропных полярных и не полярных диэлектриков поляризованность линейно зависит от напряженности электрического поля:, где -электрическая постоянная, χ-диэлектрическая восприимчивость.

Сегнетоэлектрики- диэлектрики, которые в определенном интервале температур обладают поляризованностью при отсутствии внешнего электрического поля, тоесть спонтанно поляризованы. Спонтанная поляризация сегнетоэлектриков обусловлена их строением. Сегнетоэлектрики состоят из множеств доменов, разделенных между собой границами. Домен – объемная микроскопическая область, которая самопроизвольно поляризована до насыщения. Линейные размеры доменов, обычно, порядка 10-4см, но могут доходить до 10-1см.

Сегнетоэлектрики обладают электрическими свойствами, отличными от свойств линейных диэлектриков:

1) Диэлектрическая проницаемость ε велика по сравнению с линейными

2) Диэлектрическая проницаемость ε является не линейной функцией напряженности внешнего электрического поля

3) Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном интервале температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры Тк происходит разрушение доменной структуры. Температура Тк называется сегнетоэлектрической точкой Кюри. Сегнетоэлектрическая точка Кюри Тк – это температура фазового перехода сегнетоэлектрика в состояние, соответствующее полярному диэлектрику.

4) В точке Кюри спонтанная поляризация исчезает, а диэлектрическая проницаемость ε достигает своего максимума.

5) Для сегнетоэлетриков зависимость диэлектрической проницаемости ε от температуры подчиняется закону, где С – константа.

6) Зависимость поляризации от величины напряженности электрического поля является не линейной. При температуре выше точки Кюри зависимость поляризованности Р от величин напряженности внешнего электрического поля становится линейной из-за разрушения доменной структуры сегнетоэлектрика.

7) Для поляризации сегнетоэлектриков характерно явление насыщения, заключающееся в том, что начиная с некоторого значения напряженности поля Е величина поляризованности Р не изменяется.

8) Зависимость электрического смещения D от величины напряженности поля Е носит нелинейный характер, так как, а величина диэлектрической проницаемости является функцией от напряженности поля Е:.

9) Для сегнетоэлектриков характерно явление диэлектрического гистерезиса. Диэлектрическим гистерезисом называется явление отстования изменения поляризованности сегнетоэлектрика от изменения напряженности Е внешнего поляризующего поля. Причиной диэлектрического гистерезиса является необратимость процессов смещения доменных границ.

10) При циклических измерениях напряженности внешнего электрического поля зависимость поляризованности Р от поля Е (или D от Е) определяется предшествующим состоянием поляризованности сегнетоэлектрика. Петлей Гистерезиса называется кривая изменения поляризованности Р сегнетоэлектрика в зависимости от изменения напряженности внешнего электрического поля Е. В соответствии с 8) при циклических изменениях поля Е зависимость так же носит характер петли гистерезиса.

Петля Гистерезиса