Вектор поляризации равен суммарному дипольному моменту молекул в единице объема диэлектрика

Поместим диэлектрик (полярный или неполярный) в однородное электрическое поле плоского конденсатора. В результате поляризации на противоположных поверхностях диэлектрика появляются нескомпенсированные поляризационные заряды с поверхностной плотностью и . Эти заряды создают свое электрическое поле, направленное в сторону, противоположную внешнему полю. В результате напряженность электрического поля внутри диэлектрика, определяемая векторной суммой

,

Она уменьшится и станет равной

.

Здесь – напряженность внешнего электрического поля, созданного, например, зарядами обкладок конденсатора.

– напряженность электрического поля поляризационных зарядов.

Поверхностная плотность поляризационных зарядов численно равна нормальной проекции вектора поляризации.

Легко!!! При однородной поляризации суммарный дипольный момент молекул диэлектрика будет численно равен

.

Здесь - нескомпенсированный заряд на поверхности диэлектрика, - толщина диэлектрика.

При этом условии величина(модуль) вектора поляризации будет равна

.

У большинства диэлектриков вектор поляризации пропорционален напряженности электрического поля:

.

Величину (хи) называют диэлектрической восприимчивостью вещества.

- электрическое смещение (или индукция электрического поля).

 

.

Величину называют диэлектрической проницаемостью среды. Она показывает, во сколько раз среда (диэлектрик) ослабляет электрическое поле. Приведем значения диэлектрической проницаемости для некоторых веществ:

Фарфор 6 Бумага 2

Слюда 6 Керосин 2

Стекло 6 Парафин 2 Масло 5 Воздух 1

Воск 7,8 Вода 81

 

Теорема Остроградского-Гаусса для потока вектора индукции электрического поля D: поток вектора индукции электрического поля через любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме электрических зарядов, заключенных внутри этой замкнутой поверхности.

 

 

Более важным соотношением является формула, связывающая вектор поляризации с напряженностью электрического поля в диэлектрике . Очевидно, что в случае однородной поляризации модули этих векторов связаны соотношением

.

Электрострикция

 

При помещении диэлектрика в электрическое поле на заряды его молекул действуют силы, деформирующие диэлектрик. Это явление получило название "электрострикция". Электрострикция наблюдается у твердых, жидких и газообразных диэлектриков. При электрострикции величина деформации диэлектрика пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. В изотропных средах электрострикция проявляется в виде изменения плотности под действием электрического поля.

 

Сегнетоэлектрики

 

В 1930-34 И.В.Курчатов и А.Н. Кобеко исследовали электростатическое поле сегнетовой соли (NaKC₄H₄O₆4H₂O) и обнаружили её особые свойства.

В отличие от обычных диэлектриков сегнетоэлектрики обладают спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью и в отсутствие внешнего электрического поля.

Сегнетоэлектрики имеют доменную структуру, т.е. состоят из микрообластей-доменов, характеризующихся определенным направлением вектора поляризации. Векторы поляризации доменов имеют разные направления. В результате в целом электрический дипольный момент сегнетоэлектрика равен нулю.

При внесении сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по направлению внешнего электрического поля. Возникшее электрическое поле доменов способно поддерживать ориентацию дипольных моментов доменов и после прекращения действия внешнего электрического поля.

К числу специфических свойств сегнетоэлектриков относятся:

1) большая по величине (e>>1) диэлектрическая проницаемость

2) диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков зависит от напряженности внешнего электрического поля

 

 

3) во внешнем электрическом поле сегнетоэлектрики поляризуются до насыщения, т. е. до такого состояния, при котором дальнейшее изменение напряженности электрического поля не изменяет вектор поляризации

 

4) во внешнем циклически изменяющемся электрическом поле им присуще явление гистерезиса. Изменение вектора поляризации запаздывает по отношению к изменению напряженности электрического поля

5) при нагревании сегнетоэлектриков до определенной температуры Т_к, характерной для каждого сегнетоэлектрика, они теряют свои специфические свойства и превращаются в обычные полярные диэлектрики. Точка перехода из состояния сегнетоэлектрика в состояние обычного полярного диэлектрика называется точкой Кюри, а соответствующая ей температура Т_к - температурой Кюри.

Закон изменения диэлектрической восприимчивости при переходе диэлектрика из сегнетоэлектрического состояния в состояние полярного диэлектрика c вблизи точки Кюри имеет вид

,

где A – некоторая константа;

Следует заметить, что у кристаллов диэлектрические свойства анизотропны, т.е. неодинаковы по различным направлениям.

Пьезоэффект.

 

Помимо сегнетоэлектриков имеются многочисленные кристаллы, на поверхности которых при деформации возникают электрические заряды. Такие кристаллы называются пьезоэлектриками. Возникающие при деформации поверхностные заряды имеют различные знаки на различных частях поверхности. К числу пьезоэлектриков относят кварц, турмалин, сегнетовую соль и многие другие.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают только ионные кристаллы. Под действием внешних сил подрешетка кристалла из положительных ионов деформируется иначе, чем подрешетка из отрицательных ионов. В результате происходит относительное смещение положительных и отрицательных ионов, приводящее к поляризации кристалла и возникновению поверхностных зарядов. Между разноименно заряженными гранями деформированного диэлектрика возникает разность потенциалов, прямо пропорциональная приложенным силам. Ее можно измерить, а по ее величине сделать заключение о величине деформирующих сил. Это находит многочисленные практические применения. Например, имеются пьезоэлектрические датчики для измерения быстропеременных давлений. Известны пьезоэлектрические микрофоны, пьезоэлектрические датчики в автоматике и телемеханике и т.д.

Помимо прямого пьезоэффекта в пьезоэлектриках существует обратный пьезоэффект. Он состоит в том, что во внешнем электрическом поле пьезоэлектрик деформируется.

Обратный пьезоэлектрический эффект также имеет многочисленные практические применения, в частности широкое применение получили кварцевые излучатели ультразвука.

 

Электреты

 

Существуют диэлектрики, которые после снятия внешнего поля длительное время сохраняют поляризованное состояние. Они создают электрическое поле в окружающем пространстве и называются "электретами". Электрет является электрическим аналогом постоянного магнита.

Если вещество, молекулы которого обладают дипольным моментом, например воск, расплавить и поместить в сильное электрическое поле, то его молекулы частично выстроятся по направлению поля. При охлаждении расплава в электрическом поле и последующем выключении поля в затвердевшем веществе поворот молекул будет затруднен, и они длительное время будут сохранять преимущественную ориентацию.

Таким методом в 1922 г был впервые изготовлен электрет японским физиком Ёгучи.

При изготовлении электретов в диэлектрик могут переходить носители заряда из электродов или межэлектродного пространства. Носители могут быть созданы и искусственно, например облучением электронным пучком.

Стабильные электреты получают различными методами:

1. нагревания, а затем охлаждения в сильном электрическом поле (термоэлектреты);

2. освещения в сильном электрическом поле (фотоэлектреты);

3. облучения, радиоактивного излучения (радиоэлектреты);

4. поляризации в сильном электрическом поле без нагревания (электроэлектреты) или в магнитном поле (магнетоэлектреты);

5. при застывании органических растворов в электрическом поле (криоэлектреты);

6. механической деформации полимеров (механоэлектреты);

7. трения (трибоэлектреты);

8. действием поля коронного разряда (короноэлектреты).

Все электреты имеют стабильный поверхностный заряд.

 

Электреты применяют как источники постоянного электрического поля (электретные микрофоны и телефоны, вибродатчики, генераторы слабых переменных сигналов, электрометры, электростатические вольтметры и др.), а также как чувствительные датчики в устройствах дозиметрии, электрической памяти; для изготовления барометров, гигрометров и газовых фильтров, пьезодатчиков и др. Фотоэлектреты применяются в электрофотографии.

 

У некоторых пьезоэлектриков подрешетка положительных ионов оказывается смещенной относительно подрешетки отрицательных ионов в состоянии термодинамического равновесия, в результате чего такие кристаллы оказываются поляризованными при отсутствии внешнего электрического поля. Их называют пироэлектриками.

Всякий пироэлектрик является пьезоэлектриком, но не всякий пьезоэлектрик является пироэлектриком. Это связано с тем, что у пироэлектрика имеется выделенное направление, вдоль которого существует спонтанная поляризация, а у пьезоэлектрика такого выделенного направления нет.

Наблюдается также и обратный пироэлектрический эффект: изменение электрического поля в адиабатно изолированном пироэлектрике сопровождается изменением его температуры. Необходимость его существования может быть доказана на основе термодинамического анализа процесса и продемонстрирована экспериментами. Обратный пироэлектрический эффект иногда называют электрокалорическим эффектом.

При электрокалорическом эффекте в пироэлектриках изменение температуры пропорционально изменению напряженности электрического поля, в других веществах наблюдается лишь меньший по величине квадратичный электрокалорический эффект.