3. Поляризованность. Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость. Вектор электрического смещения.

Поляризованность – количественная мера поляризации. Поляризованность– суммарный дипольный момент единицы объема диэлектрика

где – дипольный момент одной молекулы,n– число молекул в объемеV. Единицей поляризованностиявляется. Если диэлектрик изотропный и напряженность поляне слишком велика, толинейно зависит от

где ₀– электрическая постоянная,, æ – диэлектрическая восприимчивость, безмерная величина, характеризующая способность диэлектрика поляризоваться.

У некоторых диэлектриков æ не зависит от температуры, у полярных .

В результате поляризации на поверхности диэлектрика возникают некомпенсированные поверхностные,связанныезаряды (поляризационные заряды) с поверхностной плотностью, которые создают поле напряженностью, направленное противоположно внешнему полю(рис. 5а).

Связанные заряды– это заряды, входящие в состав атомов и молекул диэлектрика. Под действием поля они могут лишь немного (~10^-10м) смещаться из своих положений равновесия. Плотность связанных зарядов равна по абсолютной величине проекции поляризованности на направление внешней нормалирассматриваемой поверхности

В тех точках, где угол между иострый

и.

В тех точках, где угол между итупой

и.

Если , то.

В случаях неоднородного диэлектрика возникают и объемные поляризационные заряды внутри самого диэлектрика. Так в объеме (рис. 5б) получился недостаток положительных зарядов, и он оказался заряженным отрицательно. Объемная плотность связанных зарядов

,

т.е. объемные связанные заряды возникают лишь в том случае, когда поляризованность изменяется от точки к точке.

Под влиянием переориентации молекул, вызванной внешним электрическим полем, меняются механические свойства диэлектрика. Поэтому при поляризации диэлектрика в нем возникают упругие напряжения и происходит изменение его объема и формы. Это явление называется электрострикцией.

Связанные заряды, так же как и сторонниезаряды^служат источниками электрического поля. Поэтому поле в диэлектрике является суперпозицией поля, создаваемого сторонними зарядами и полясвязанных зарядов

или .

Величина, показывающая во сколько раз ослабляется поле в диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостьюсреды и обозначается буквой:

.

Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость æ связаны соотношением

В вакууме ; в веществе.

Чтобы вычислить напряженность поля в диэлектрике, нужно знать плотность связанных зарядов, что в ряде случаев затруднительно. Для упрощения вычисления полей вводится вспомогательная величина, которая называется электрическим смещением(электрической индукцией) и определяется соотношением

Так как для однородных изотропных диэлектриков

,

то

Вектор характеризует электрическое поле в данном веществе, которое создается только сторонними зарядами, но при таком их расположении в пространстве, которое имеет место в присутствии диэлектрика. Единицей измерения электрического смещения служит.

4. Сегнетоэлектрики и их свойства.

Сегнетоэлектрикаминазывают полярные диэлектрики, которые в определенном интервале температур спонтанно (самопроизвольно) поляризованы, т.е.обладают поляризованностью при отсутствии внешнего электрического поля. К сегнетоэлектрикам относятся сегнетова сольNaKC₄H₄O₆4Н₂О, титанат бария ВаTiО₃, триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH₃)₃3H₂SO₄. В настоящее время известно уже свыше ста сегнетоэлектриков.

Сегнетоэлектрики обладают рядом своеобразных электрических свойств:

1. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков очень велика (10³10⁴), в то время как у большинства обычных диэлектриков она составляет несколько единиц.

2. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков является функцией напряженностивнешнего электрического поля (рис. 6) и температуры (рис. 7).

3. У сегнетоэлектриков температурная зависимость имеет один (рис. 7) или несколько выраженных максимумов (рис. 8). Температуры, при которых наблюдаются эти максимумы называютсяточками Кюри(Т_к). Сегнетова соль имеет две точки Кюри (+22,5С и –15С). При нагревании сегнетоэлектрика выше Т_кон утрачивает необыкновенные свойства и становится обычным диэлектриком. У сегнетоэлектриков, которые имеют две и больше точек Кюри, особые свойства наблюдаются только при температурах, лежащих в пределах между этими точками. Зависимостьот температуры подчиняется закону Кюри-Вейсса:

где – константа, равная приблизительно 10^-510^-6град^-1.

4. Зависимость РотЕиDотЕне является линейной (рис. 9, 10).

5. Для сегнетоэлектриков характерно явление насыщения, состоящее в том, что начиная с некоторого значения Е,Рне изменяется (Р_s, рис. 9).

6. Всем сегнетоэлектрикам свойственен гистерезис(от греческого слова «гистерезис» – запаздывание), представляющий неоднозначную зависимость поляризованностиР(илиD) от напряженности электрического поля. ВеличинаР(илиD) определяется не только значениемЕв данный момент, но зависит еще от предшествующих состояний поляризации. При циклических изменениях поля зависимостьРотЕ(илиDотЕ) следует кривой, называемойпетлей гистерезиса.

При первоначальном увеличении поля нарастание поляризованности описывается кривой 1. Уменьшение Рпроисходит по ветви 2. При обращенииЕв нуль поляризованность не исчезает, а лишь уменьшается до значенияР_r, называемогоостаточной поляризованностью(если речь идет о, то остаточным смещениемD_r). Это говорит о том, что в сегнетоэлектриках имеется остаточная поляризация. Чтобы свести ее к нулю, нужно приложить полеЕ_спротивоположного направления.Величина Е_сназываетсякоэрцитивной силой. При дальнейшем изменении Е получается ветвь 3 петли гистерезиса. При температурах выше точки Кюри зависимостьР(илиD) отЕпри не слишком больших значениях напряженности поля становится линейной (рис. 12).