Polarizace dielektrik

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 22. června 2021; kontroly vyžadují 5 úprav .

Polarizace dielektrika je jev spojený s omezeným přemístěním vázaných nábojů v dielektriku nebo rotací elektrických dipólů , obvykle pod vlivem vnějšího elektrického pole .

Polarizace dielektrik je charakterizována vektorem elektrické polarizace . Fyzikální význam tohoto vektoru je dipólový moment na jednotku objemu dielektrika. Někdy se polarizační vektor stručně nazývá jednoduše polarizace (a ukazuje se, že jeden termín označuje jev i jeho kvantitativní ukazatel).

Rozlišuje se polarizace indukovaná v dielektriku působením vnějšího pole a spontánní (spontánní) polarizace, ke které dochází ve feroelektrikách za nepřítomnosti vnějšího pole. V některých případech dochází k polarizaci dielektrika (feroelektrika) působením mechanických namáhání, třecích sil nebo vlivem teplotních změn.

Polarizace nemění celkový náboj v žádném makroskopickém objemu uvnitř homogenního dielektrika. Je však doprovázen výskytem na jeho povrchu vázaných elektrických nábojů s určitou povrchovou hustotou σ. Tyto vázané náboje vytvářejí v dielektriku dodatečné makroskopické pole o síle , namířené proti silnému vnějšímu poli . V důsledku toho bude síla pole uvnitř dielektrika vyjádřena rovností ${\mathbf E}_{1}$ ${\mathbf E}_{0}$ ${\mathbf E}$ ${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}-\mathbf {E} _{1))$

Obdobou elektrické polarizace v oblasti magnetismu je magnetizační efekt, charakterizovaný vektorem magnetizace .

Typy polarizace

V závislosti na mechanismu polarizace lze polarizaci dielektrik rozdělit do následujících typů:

Elektronické - přemístění elektronových obalů atomů působením vnějšího elektrického pole. Nejrychlejší polarizace (až 10 −15 s). Nesouvisí se ztrátou energie.
Iontové - posunutí uzlů krystalové mřížky působením vnějšího elektrického pole a posunutí je o hodnotu menší než je hodnota mřížkové konstanty . Doba průtoku je 10 −13 s, bez ztráty.
Dipól (Orientace) - postupuje se ztrátami k překonání sil komunikace a vnitřního tření. Souvisí s orientací dipólů ve vnějším elektrickém poli.
Elektronová relaxace - orientace defektních elektronů ve vnějším elektrickém poli.
Iontová relaxace - vytěsnění iontů, volně fixovaných v uzlech krystalové struktury nebo umístěných v intersticiálu.
Strukturální - orientace nečistot a nehomogenních makroskopických inkluzí v dielektriku. Nejpomalejší typ.
Spontánní (spontánní) – vzniká při absenci vnějšího elektrického pole. Je pozorován u materiálů skládajících se z jednotlivých domén (regionů). Každá z oblastí má svůj vlastní směr, odlišný od ostatních oblastí, v důsledku čehož je celkový dipólový moment materiálu roven nule. Když je aplikováno vnější elektrické pole, dipólové momenty domén jsou orientovány podél pole. Výsledná polarizace vykazuje v podstatě nelineární vlastnosti i při nízkých hodnotách vnějšího pole; je pozorována hystereze . Taková dielektrika (feroelektrika) se vyznačují velmi vysokými dielektrickými konstantami (od 900 do 7500 u některých typů kondenzátorové keramiky).
Rezonance - orientace částic, jejichž vlastní frekvence kmitání se shodují s frekvencemi vnějšího elektrického pole.
Migrační polarizace je způsobena přítomností vrstev s různou vodivostí v materiálu, tvorbou prostorových nábojů, zejména při vysokých gradientech napětí; má vysoké ztráty a je polarizací zpožděné akce.

Polarizace dielektrik (s výjimkou rezonančního) je maximální ve statických elektrických polích. Ve střídavých polích v důsledku přítomnosti setrvačnosti elektronů, iontů a elektrických dipólů závisí vektor elektrické polarizace na frekvenci.

Mechanismy polarizace

Indukované elektrickým polem
- Elastické (deformace)
- termální (hopping)
- Objemové nabíjení (migrace)

Srovnávací parametry různých typů polarizace

Polarizace	Posun částic, nm, v poli V/m $10^{6}$	Relaxační čas, s	koncentrace částic, $m^{-3}$
Elastické (posun)	$10^{-6}$	$10^{-12}-10^{-16}$	$10^{{28}}$
termální (hopping)	$0,5$	$10^{-6}-10^{-10}$	$10^{{25}}$
Objemové nabíjení (migrace)	$10^{{6}}$	$10^{4}-10^{-4}$	$10^{{23}}$

Způsobeno neelektrickým nárazem
- Piezo polarizace
- Pyropolarizace
- Fotopolarizace
Existující bez vnějších vlivů
- Spontánní
- Reziduální

Závislost vektoru polarizace na vnějším poli

V konstantním poli

Ve slabých polích

Ve stálém nebo spíše pomalu se měnícím vnějším elektrickém poli s dostatečně malou silou tohoto pole polarizační vektor ( polarizace ) P zpravidla (s výjimkou feroelektrik) lineárně závisí na vektoru intenzity pole E :

{\mathbf P}=\chi {\mathbf E}

(v systému ČGS ),

{\mathbf P}=\varepsilon _{0}\chi {\mathbf E}

(v Mezinárodní soustavě jednotek (SI) ; dále jsou vzorce v tomto odstavci uvedeny pouze v ČGS, vzorce SI se nadále liší pouze v elektrické konstantě )

\varepsilon_{0}

kde je koeficient závislý na chemickém složení, koncentraci, struktuře (včetně stavu agregace) média, teplotě, mechanickém namáhání atd. (na některých faktorech silněji, na jiných slabší, samozřejmě v závislosti na rozsahu mění každý), a nazývá se (elektrická) polarizovatelnost (a častěji, alespoň pro případ, kdy je vyjádřena skalárem - dielektrická susceptibilita ) daného média. Pro homogenní médium pevného složení a struktury za pevných podmínek ji lze považovat za konstantu. V souvislosti se vším výše uvedeným však obecně řečeno záleží na bodu v prostoru, čase (explicitně nebo prostřednictvím jiných parametrů) atd. $\chi$ $\chi$

Pro izotropní [2] kapaliny, izotropní pevné látky nebo krystaly s dostatečně vysokou symetrií je to jednoduše číslo (skalární). V obecnějším případě (pro krystaly s nízkou symetrií, působením mechanických namáhání atd.) - tenzor (symetrický tenzor druhé řady, obecně řečeno nedegenerovaný), nazývaný tenzor polarizace . V tomto případě můžete vzorec přepsat takto (v komponentách): $\chi$ $\chi$

P_{i}=\součet _{j}\ \chi _{{ij}}E_{j},

kde veličiny se symboly odpovídají vektorovým a tenzorovým složkám odpovídajícím třem prostorovým souřadnicím.

Je vidět, že polarizovatelnost je jednou z nejvhodnějších fyzikálních veličin pro jednoduchou ilustraci fyzikálního významu tenzorů a jejich aplikace ve fyzice.

Jako pro jakýkoli symetrický nedegenerovaný tenzor druhé řady, pro tenzor polarizovatelnosti lze volit (pokud je prostředí nehomogenní – to znamená, že tenzor závisí na bodu v prostoru – pak alespoň lokálně; vlastní základ - pravoúhlé kartézské souřadnice, ve kterých se matice stává diagonální, to znamená, že nabývá tvaru, ve kterém jsou pouze tři z devíti složek nenulové: , a . V tomto případě označíme pro zjednodušení jako , namísto předchozího vzorce získáme jednodušší $\chi _{{ij}}$ $\chi _{{ij}}$ $\chi _{{11}}$ $\chi _{{22}}$ $\chi _{{33}}$ $\chi _{{ii}}$ $\chi _{i}$

P_{i}=\chi _{i}E_{i}.

Veličiny se nazývají hlavní polarizability (neboli hlavní dielektrické susceptibility ). Pokud je médium izotropní s ohledem na polarizovatelnost, pak jsou všechny tři hlavní polarizace navzájem stejné a působení tenzoru se redukuje na jednoduché násobení číslem. $\chi _{i}$

V silných polích

V dostatečně silných polích [3] je vše výše popsané komplikováno tím, že s rostoucí intenzitou elektrického pole se dříve nebo později ztrácí linearita závislosti P na E .

Charakter objevující se nelinearity a charakteristická hodnota pole, se kterým se nelinearita projeví, závisí na individuálních vlastnostech prostředí, podmínkách atd.

Lze vyzdvihnout jejich souvislost s výše popsanými typy polarizací .

Pro elektronovou a iontovou polarizaci při polích blížících se hodnotám řádově poměru ionizačního potenciálu k charakteristické velikosti molekuly U 0 /D je tedy nejprve charakteristické zrychlení růstu polarizačního vektoru s rostoucím polem. (zvýšení sklonu grafu P(E) ), poté plynule přecházející do průrazu dielektrika .

Dipólová (orientační) polarizace při obvykle poněkud nižších hodnotách intenzity vnějšího pole - řádově kT/p (kde p je dipólový moment molekuly, T je teplota, k je Boltzmannova konstanta ) - tzn. , kdy se interakční energie dipólu (molekuly) s polem stane srovnatelnou s průměrnou energií tepelného pohybu (rotace) dipólu - naopak začne dosahovat saturace (s dalším nárůstem intenzity pole dříve nebo později by se dříve nebo později měl zapnout scénář elektronické nebo iontové polarizace, popsaný výše a končící poruchou).

V časově závislém poli

Závislost polarizačního vektoru na rychle se měnícím vnějším poli v čase je poměrně komplikovaná. Záleží na konkrétním typu změny vnějšího pole v čase, rychlosti této změny (nebo řekněme frekvenci kmitání) vnějšího pole, převažujícím mechanismu polarizace v dané látce nebo médiu (což se také ukazuje jako být různé pro různé závislosti vnějšího pole na čase, frekvencích atd.) d.).

Při dostatečně pomalé změně vnějšího pole se polarizace obecně vyskytuje jako v konstantním poli nebo velmi blízko k němu (avšak jak pomalá musí být změna pole, aby k tomu došlo, závisí a často extrémně silně na převládajícím typu polarizace a dalších podmínek, jako je teplota).

Jedním z nejběžnějších přístupů ke studiu závislosti polarizace na povaze časově proměnného pole je studium (teoretické a experimentální) případu sinusové časové závislosti vnějšího pole a závislosti polarizačního vektoru (který také se v tomto případě mění podle sinusového zákona se stejnou frekvencí), její amplituda a fázový posun versus frekvence.

Každý polarizační mechanismus jako celek odpovídá tomu či onomu frekvenčnímu rozsahu a obecné povaze frekvenční závislosti.

Frekvenční rozsah, ve kterém má smysl hovořit o polarizaci dielektrik jako takové, sahá od nuly někam do ultrafialové oblasti , ve které se ionizace působením pole stává intenzivní.

Viz také

Poznámky

↑ Res, 1989 , str. 65.
↑ Obvykle lze kapaliny považovat za izotropní, ale nemusí to platit pro všechny třídy kapalin a mohou být rušeny různými poruchami (někdy velmi silně, například u roztoků polymerů atd.), takže je lepší si to ujasnit výslovně.
↑ Tento odstavec předpokládá, že pole se neustále nebo pomalu mění v čase – to znamená, že jsou ovlivněny pouze problémy související s velkou velikostí intenzity pole; komplikace spojené s dostatečně rychlou změnou oboru s časem jsou popsány níže v samostatné části.

Literatura

Rez I. S., Poplavko Yu. M. Dielectrics. Základní vlastnosti a použití v elektronice. - M . : Rozhlas a komunikace, 1989. - 288 s. — ISBN 5-256-00235-X .

Odkazy

dic.academic.ru/dic.nsf/natural_science/10203
dic.academic.ru/dic.nsf/polytechnic/7019