Polarisering av dielektrikum

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 22 juni 2021; kontroller kräver 5 redigeringar .

Dielektrisk polarisation är ett fenomen som är förknippat med en begränsad förskjutning av bundna laddningar i en dielektrikum eller rotation av elektriska dipoler , vanligtvis under påverkan av ett externt elektriskt fält .

Polariseringen av dielektrikum kännetecknas av den elektriska polarisationsvektorn . Den fysiska betydelsen av denna vektor är dipolmomentet per volymenhet av dielektrikumet. Ibland kallas polarisationsvektorn kortfattat helt enkelt polarisation (och det visar sig att en term betecknar både fenomenet och dess kvantitativa indikator).

Man skiljer mellan polarisering inducerad i ett dielektrikum under inverkan av ett externt fält, och spontan (spontan) polarisation, som inträffar i ferroelektrik i frånvaro av ett externt fält. I vissa fall uppstår polariseringen av ett dielektrikum (ferroelektriskt) under inverkan av mekaniska påkänningar, friktionskrafter eller på grund av temperaturförändringar.

Polarisering ändrar inte den totala laddningen i någon makroskopisk volym inuti ett homogent dielektrikum. Emellertid åtföljs det av utseendet på dess yta av bundna elektriska laddningar med en viss ytdensitet σ. Dessa bundna laddningar skapar i dielektrikumet ett ytterligare makroskopiskt fält med styrka , riktat mot det yttre fältet med styrka . Som ett resultat kommer fältstyrkan inuti dielektrikumet att uttryckas av likheten ${\mathbf E}_{1}$ ${\mathbf E}_{0}$ ${\mathbf E}$ ${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}-\mathbf {E} _{1))$

En analog av elektrisk polarisation inom magnetismen är magnetiseringseffekten, kännetecknad av magnetiseringsvektorn .

Typer av polarisering

Beroende på polarisationsmekanismen kan polariseringen av dielektrikum delas in i följande typer:

Elektronisk - förskjutning av atomernas elektronskal under inverkan av ett externt elektriskt fält. Den snabbaste polariseringen (upp till 10 −15 s). Ej relaterat till energiförlust.
Jonisk - förskjutningen av noderna i kristallgittret under inverkan av ett externt elektriskt fält, och förskjutningen är mindre än värdet på gitterkonstanten . Flödestiden är 10 −13 s, utan förlust.
Dipol (Orientering) - fortsätter med förluster för att övervinna krafterna i kommunikation och intern friktion. Förknippas med orienteringen av dipolerna i ett externt elektriskt fält.
Elektron-relaxation - orientering av defekta elektroner i ett externt elektriskt fält.
Jonrelaxation - förskjutningen av joner, löst fixerade i kristallstrukturens noder, eller placerade i interstitialen.
Strukturell - orienteringen av föroreningar och inhomogena makroskopiska inneslutningar i dielektrikumet. Den långsammaste typen.
Spontant (spontant) - uppstår i frånvaro av ett externt elektriskt fält. Det observeras i material som består av individuella domäner (regioner). Var och en av domänerna har sin egen riktning, skild från andra domäner, som ett resultat av vilket det totala dipolmomentet för materialet är lika med noll. När ett externt elektriskt fält appliceras, är dipolmomenten för domänerna orienterade längs fältet. Den resulterande polariseringen uppvisar väsentligen icke-linjära egenskaper även vid låga värden på det externa fältet; hysteres observeras . Sådana dielektrika (ferroelektriska) kännetecknas av mycket höga dielektriska konstanter (från 900 till 7500 för vissa typer av kondensatorkeramik).
Resonans - orienteringen av partiklar vars naturliga oscillationsfrekvenser sammanfaller med frekvenserna för det externa elektriska fältet.
Migrationspolarisering beror på närvaron av skikt med olika konduktivitet i materialet, bildandet av rymdladdningar, särskilt vid högspänningsgradienter; har höga förluster och är en fördröjd aktionspolarisering.

Polariseringen av dielektrikum (med undantag för resonansen) är maximal i statiska elektriska fält. I alternerande fält, på grund av närvaron av tröghet av elektroner, joner och elektriska dipoler, beror den elektriska polarisationsvektorn på frekvensen.

Mekanismer för polarisering

Elektriskt fält inducerat
- Elastisk (deformation)
- Termisk (hoppning)
- Volumetrisk laddning (migrering)

Jämförande parametrar för olika typer av polarisation

Polarisering	Partikelförskjutning, nm, i fältet V/m $10^{6}$	Avkopplingstid, s	partikelkoncentration, $m^{-3}$
Elastisk (förskjutning)	$10^{-6}$	$10^{-12}-10^{-16}$	$10^{{28}}$
Termisk (hoppning)	$0,5$	$10^{-6}-10^{-10}$	$10^{{25}}$
Volumetrisk laddning (migrering)	$10^{{6}}$	$10^{4}-10^{-4}$	$10^{{23}}$

Orsakas av icke-elektrisk påverkan
- Piezopolarisering
- Pyropolarisering
- Fotopolarisering
Existerande utan yttre påverkan
- Spontan
- Resterande

Polarisationsvektorns beroende av det externa fältet

I ett konstant fält

I svaga fält

I ett konstant eller ganska långsamt föränderligt yttre elektriskt fält med en tillräckligt liten styrka av detta fält, beror polarisationsvektorn ( polarisationen ) P , som regel (med undantag för ferroelektrik), linjärt av fältstyrkevektorn E :

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

(i CGS- systemet ),

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

(i International System of Units (SI) ; vidare ges formlerna i detta stycke endast i CGS, SI-formlerna fortsätter att skilja sig endast i den elektriska konstanten )

\varepsilon_{0}

var är en koefficient beroende på mediets kemiska sammansättning, koncentration, struktur (inklusive aggregationstillstånd), temperatur, mekaniska spänningar etc. (starkare på vissa faktorer, svagare på andra, naturligtvis, beroende på intervallet av ändras var och en), och kallas den (elektriska) polariserbarheten (och oftare, åtminstone för fallet när den uttrycks av en skalär - den dielektriska känsligheten ) för ett givet medium. För ett homogent medium med en fixerad sammansättning och struktur under fixerade förhållanden kan det betraktas som en konstant. Men i samband med allt som sägs ovan, generellt sett, beror det på en punkt i rummet, tiden (explicit eller genom andra parametrar) etc. $\chi$ $\chi$

För isotropa [2] vätskor, isotropa fasta ämnen eller kristaller med tillräckligt hög symmetri är det helt enkelt ett tal (skalär). I ett mer allmänt fall (för kristaller med låg symmetri, under inverkan av mekaniska spänningar, etc.) - en tensor (en symmetrisk tensor av andra rang, generellt sett icke-degenererad), kallad polariserbarhetstensor . I det här fallet kan du skriva om formeln så här (i komponenter): $\chi$ $\chi$

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

där kvantiteterna med symboler motsvarar vektor- och tensorkomponenterna som motsvarar de tre rumsliga koordinaterna.

Det kan ses att polariserbarhet är en av de mest bekväma fysiska storheterna för en enkel illustration av den fysiska betydelsen av tensorer och deras tillämpning i fysiken.

Som för alla symmetriska icke-degenererade tensorer av andra rangen, för polariserbarhetstensorn kan man välja (om mediet är inhomogent – det vill säga tensorn beror på en punkt i rymden – då åtminstone lokalt; egen bas - rektangulära kartesiska koordinater, där matrisen blir diagonal, det vill säga den tar den formen där endast tre av de nio komponenterna är icke-noll: , och . I det här fallet, som för enkelhets skull betecknar , istället för föregående formel, får vi en enklare $\chi _{{ij}}$ $\chi _{{ij}}$ $\chi _{{11}}$ $\chi _{{22}}$ $\chi _{{33}}$ $\chi _{{ii}}$ $\chi _{i}$

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

Storheterna kallas huvudsakliga polariserbarheter (eller huvudsakliga dielektriska susceptibiliteter ). Om mediet är isotropiskt med avseende på polariserbarhet, är alla tre huvudsakliga polariserbarheter lika med varandra, och tensorns verkan reduceras till en enkel multiplikation med ett tal. $\chi _{i}$

I starka fält

I tillräckligt starka fält [3] kompliceras allt som beskrivs ovan av det faktum att när den elektriska fältstyrkan ökar, förloras förr eller senare linjäriteten i beroendet av P på E .

Karaktären av den uppenbara olinjäriteten och det karakteristiska värdet av fältet med vilket olinjäriteten blir märkbar beror på mediets individuella egenskaper, förhållanden etc.

Man kan peka ut deras samband med de typer av polarisationer som beskrivs ovan.

Således, för elektronisk och jonisk polarisering vid fält som närmar sig värden i storleksordningen av förhållandet mellan joniseringspotentialen och den karakteristiska storleken på molekylen U 0 /D , först är accelerationen av tillväxten av polarisationsvektorn med ökande fält karakteristisk. (en ökning av lutningen för plotten P(E) ), och går sedan smidigt över i nedbrytningen av dielektrikumet .

Dipol (orienterande) polarisation vid vanligtvis något lägre värden på den yttre fältstyrkan - i storleksordningen kT/p (där p är molekylens dipolmoment, T är temperaturen, k är Boltzmann-konstanten ) - dvs. , när interaktionsenergin för dipolen (molekylen) med fältet blir jämförbar med en genomsnittlig energi för termisk rörelse (rotation) av dipolen - tvärtom börjar den nå mättnad (med en ytterligare ökning av fältstyrkan, tidigare eller senare bör scenariot med elektronisk eller jonisk polarisering, som beskrivs ovan, och som slutar med ett haveri, aktiveras förr eller senare).

I ett tidsberoende fält

Polarisationsvektorns beroende av ett snabbt föränderligt yttre fält i tiden är ganska komplicerat. Det beror på den specifika typen av förändring i det yttre fältet med tiden, hastigheten på denna förändring (eller säg svängningsfrekvensen) av det yttre fältet, den rådande polarisationsmekanismen i ett givet ämne eller medium (vilket också visar sig vara vara olika för olika beroende av det yttre fältet på tid, frekvenser etc.) d.).

Med en tillräckligt långsam förändring i det yttre fältet sker polarisering i allmänhet som i ett konstant fält eller mycket nära det (hur långsam förändringen i fältet måste vara för att detta ska ske beror, och ofta extremt starkt, på den rådande typen av polarisation och andra förhållanden, såsom temperatur).

Ett av de vanligaste tillvägagångssätten för att studera polarisationens beroende av det tidsvarierande fältets natur är att studera (teoretiskt och experimentellt) fallet med ett sinusformigt tidsberoende för det yttre fältet och beroendet av polarisationsvektorn (vilket också förändringar i detta fall enligt en sinusformad lag med samma frekvens), dess amplitud och fasförskjutning mot frekvens.

Varje polarisationsmekanism som helhet motsvarar ett eller annat frekvensområde och den allmänna karaktären av frekvensberoendet.

Frekvensområdet där det är vettigt att tala om polariseringen av dielektrikum som sådan sträcker sig från noll någonstans till det ultravioletta området , där joniseringen blir intensiv under fältets inverkan.

Se även

Anteckningar

↑ Res, 1989 , sid. 65.
↑ Vanligtvis kan vätskor betraktas som isotropa, men detta kanske inte stämmer för alla klasser av vätskor och kan störas av olika störningar (ibland mycket kraftigt, till exempel för polymerlösningar etc.), så det är bättre att förtydliga detta uttryckligen.
↑ Detta stycke förutsätter att fältet ständigt eller långsamt förändras i tiden - det vill säga att endast frågor relaterade till den stora storleken på fältstyrkan påverkas; komplikationer förknippade med en tillräckligt snabb förändring inom området med tiden beskrivs nedan i ett separat avsnitt.

Litteratur

Rez I.S., Poplavko Yu. M. Dielectrics. Grundläggande egenskaper och tillämpning inom elektronik. - M . : Radio och kommunikation, 1989. - 288 sid. — ISBN 5-256-00235-X .

Länkar

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