6. Поляризація речовини.
Діелектрик – це речовина, що не має вільних зарядів.
Під дією зовнішнього електричного поля діелектрик поляризується (додатній заряд зміщується в напрямку поля, а від’ємний навпаки).
Існує два основних види поляризації:
1. Поляризація під дією електричного поля – практично миттєва, пружна, без розсіювання енергії та без виділення тепла. До цього виду поляризації відносяться електронна та іонна поляризації.
2. Поляризація, яка здійснюється не миттєво, а з повільним нарощуванням та спадом, що супроводжується розсіюванням енергії в діелектрику, а відповідно з його нагрівом. Такий вид поляризації називається релаксаційною поляризацією.
Особливим механізмом володіє резонансна поляризація, яка виникає в діелектриках на високих частотах.
Існують такі види поляризації:
1) Електронна.
2) Іонна.
3) Поляризація полярних діелектриків:
Орієнтаційна поляризація:
Процес поляризації з часом відбувається по експоненті:
де N – кількість поляризованих молекул
-
час релаксації діелектрика (до 0.63N)
4) Спонтанна поляризація (в
сегнетоелектриках) – ми маємо одиницю
поляризованого об’єму, навіть при
відсутності зовнішнього поля
.
(Це теж полярний діелектрик)
Розглянемо полярну молекулу:
де
-
одиничний вектор по напрямку d.
Кожна з таких молекул має дипольний
момент
:
- він характеризує будь-який вид
полярізації.
Вектор поляризації речовини:
Розглянемо, як діє електростатичне поле в діелектрику:
Вносимо в середину об’єму V, обмеженого сферичною поверхнею S, заряд q. Під дією зовнішнього поля діелектрик поляризується:
Знаходимо заряд, що перейшов через поверхню S:
Q’ – це заряд, розміщений в шарі товщиною d.
– вектор електричного зміщення
(електростатичної індукції).
Тоді теорема Гауса для заряду в діелектрику буде мати вигляд:
По теоремі Остроградського-Гауса:
– теорема Гауса в диф. формі.
–густина
вільних зарядів.
Вектор полярізації діелектрика
– це є фукція електричного поля
:
Ця функція невизначена і залежить від історії процесу (тобто її потрібно дослідити до якогось певного часу t).
7. Вектор електричної індукції.
Вектор електричної індукції D – кількісна характеристика електричного поля у суцільному середовищі – (званий також електричним зсувом) є сумою двох векторів різної природи: напруженості електричного поля Е — головної характеристики цього поля — і поляризації Р, яка визначає електричне полягання речовини в цьому полі. У системі Гауса (СГС):
де Р — вектор поляризації;
— постійний коефіцієнт, у системі СІ:
де
—
розмірна константа, звана електричною
постійною або діелектричною проникністю
вакууму. Вектором поляризації Р є
електричний дипольний момент одиниці
об'єму речовини в полі Е , тобто суму
електричних дипольних моментів
,
окремих молекул усередині малого об'єму
D V , що ділиться на величину цього об'єму:
В ізотропній речовині при слабких полях вектор поляризації прямо пропорційний напруженості поля. У системі Гауса (СГС):
де
—
безрозмірна величина, звана коефіцієнтом
поляризації або діелектричною
сприйнятливістю. Саме вона характеризує
електричні властивості речовини. Для
сегнетоелектриків
залежить
від Е , так що зв'язок Р і Е стає нелінійним.
.
На заряд у суцільному середовищі з боку інших зарядів діють сили, відмінні від сил у вакуумі. Причиною цього є поляризація середовища. Матеріал складається із електронів і йонів, які під дією зовнішнього поля зміщуються. В результаті ці наведені заряди створюють свої поля, згідно з принципом Лешательє-Брауна, реакція будь-якої системи на зовнішній влив намагається зменшити ефект цього впливу. Ел. поле, яке діє на пробний заряд з боку інших зовнішніх зарядів менше, ніж у випадку відсутності середовища.
Напруженість електричного поля,
розрахована без врахування наведених
зарядів і поляризації, й називається
вектором електричної індукції у системі
СГС. В системі СІ вектор електричної
індукції визначений із іншою розмірністю,
ніж розмірність напруженості електричного
поля, а тому результат розрахунку
потрібно ще помножити на
—
діелектричну проникність вакууму:
(матеріальне співвідношення).