Polarisering

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 4 maj 2021; kontroller kräver 9 redigeringar .

Polarisation [1] ( polarisationsvektor ) är en vektorfysisk storhet lika med dipolmomentet för en volymenhet av ett ämne som uppstår under dess polarisering, en kvantitativ egenskap för dielektrisk polarisation [2] .

Betecknas med bokstaven , i International System of Units (SI) mäts det i C / m 2 . ${\mathbf {P}}$

Definition

Polarisation definieras som det elektriska dipolmomentet per volymenhet:

{\vec {P}}={\frac {\vec {p}}{V}}={\frac {1}{V}}\summa _{i}^{N}{\vec { pi}

var är dipolmomentet för den e individuella atomen, är antalet atomer i volymen och är dipolmomentet för alla dessa atomer. ${\vec {p}}_{i}$ $i$ $N$ $V$ ${\vec {p}}$

I fallet med ett inhomogent medium uttrycks polarisationen som

{\vec {P}}={\frac {d{\vec {p}}}{dV}}

där är det totala dipolmomentet för atomer i volymen , och är en funktion av koordinaterna. $d{\vec {p}}$ $dV$

Fysisk natur

Dielektrisk polarisation orsakas av en lokal förskjutning av laddningar i ett ämnes molekyler i ett externt elektriskt fält, jämfört med deras placering i frånvaro av ett fält. På en mikroskopisk nivå kan orsaken till denna förändring vara förskjutningen av elektronskalet i förhållande till atomkärnan , eller omorienteringen av molekyler som har sitt eget dipolmoment .

Som ett resultat uppstår lokala brott mot elektrisk neutralitet i dielektrikumet, det vill säga den så kallade "bundna" laddningen visas - volumetrisk ( , symbol b från engelska bunden , C/m 3 ) eller yta ( , C/m 2 ) . Laddningstätheten vid en viss punkt i rymden är summan av tätheterna för "tredje part" (annars kallat "gratis" , från engelska free ) och tillhörande :. En bunden laddning visas på samma plats där det finns en tredjepartsladdning, såväl som på platser där dielektrikumet är inhomogena och vid dess gränser. Totalt, över hela dielektrikumet, är den bundna laddningen alltid noll. ${\displaystyle \rho _{b))$ $\sigma _{b}$ ${\displaystyle \rho _{f))$ ${\displaystyle \rho =\rho _{f}+\rho _{b))$

Volymdensiteten för den bundna laddningen uttrycks i termer av polarisationsdivergensen :

\rho _{b}=-{\rm {{div}\,{\vec {P))))

Ytdensiteten för den bundna laddningen vid dielektrisk-vakuumgränssnittet hittas genom polarisationskomponenten vinkelrätt mot ytan:

\sigma _{b}=P_{n}=\mathbf {P} \cdot \mathbf {n}

var är enhetsvektorn för normalen till ytan. $\mathbf {n}$

Du kan introducera vektorn för elektrisk induktion , vilket är bekvämt när du beskriver det elektriska fältet i ett kontinuerligt medium: $\mathbf {D}$

{\mathbf D}=\varepsilon _{0}{\mathbf E}+{\mathbf P}

(SI)

{\mathbf D}={\mathbf E}+4\pi {\mathbf P}

(GHS)

När man skriver elektrodynamikens ekvationer är det nödvändigt att skilja mellan de nämnda typerna av laddningstäthet. Till exempel ser en av Maxwells ekvationer exakt ut som , och ikonen f kan tas bort antingen för vakuum, eller om det föreskrivs att den externa laddningen i detta sammanhang betecknas utan index. ${\displaystyle {\rm {{div}{\vec {D}}=\rho _{f))))$

Polarisationsvektorn kan karakterisera både inducerad och spontan polarisation - det vill säga den kan användas för att beskriva polarisationstillståndet för både vanliga dielektrika och ferroelektriska ämnen .

Anslutning till det elektriska fältet

I grund och botten är förhållandet mellan polarisation och det elektriska fältet som orsakade polariseringen linjärt, nämligen:

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

(i SI- system )

\mathbf {P} =\chi _{e}\mathbf {E} \,

(i CGS- systemet ),

var är den dielektriska känsligheten . I fallet med ett anisotropt material ges förhållandet mellan polarisation och fält genom polariserbarhetstensorn : $\chi _{e}$

\mathbf {P} ={\hat {\alpha }}\mathbf {E}

Vissa ämnen kan polariseras i frånvaro av ett elektriskt fält. Sådana ämnen inkluderar pyroelektriska ämnen - kristallina ämnen med spontan polarisation och elektreter - amorfa ämnen i vilka polarisationen som induceras av fältet kan bestå under lång tid.

Variabelfältscase

I fallet med ett alternerande elektriskt fält kan mediet reagera på en förändring i fältet med viss fördröjning. I det här fallet beror polariseringen vid ett givet ögonblick på styrkan hos det pålagda elektriska fältet vid tidigare tidpunkter. I sådana fall talar man om tidsspridning och förhållandet mellan polarisation och elektromagnetiskt fält ser ut

{\displaystyle \mathbf {P} (t)=\int \limits _{0}^{\infty }{\hat {\alpha }}(t^{\prime })\mathbf {E} (tt^{ \prime })dt^{\prime ))

Fourierbilderna av polarisationen och den elektriska fältstyrkan är i detta fall relaterade till ett linjärt samband: , där $\mathbf {(} P)_{\omega }={\hat {\alpha }}(\omega )\mathbf {E} _{\omega }$

{\hat {\alpha }}(\omega )=\int \limits _{0}^{\infty }{\hat {\alpha }}(t)e^{i\omega t}dt

Om det elektromagnetiska fältet är inhomogent i rymden, som till exempel vid utbredning av elektromagnetiska vågor , och interagerar med excitationer i materia som har en våglängd i storleksordningen för den elektromagnetiska vågen, då polarisationsvärdet vid en viss punkt i rymden beror på värdet av den elektriska fältstyrkan vid angränsande punkter i rymden. I sådana fall talar man om rumslig spridning..

{\displaystyle \mathbf {P} (t,\mathbf {r} )=\int d^{3}r^{\prime }\int \limits _{0}^{\infty }{\hat {\alpha ))(t^{\prime },\mathbf {r} ^{\prime })\mathbf {E} (tt^{\prime },\mathbf {r} -\mathbf {r} ^{\prime } )dt^{\prime ))

I starka elektriska fält kan förhållandet mellan polarisation och elektriskt fält skilja sig från linjärt. De fenomen som uppstår i detta fall studeras till exempel i olinjär optik .

Se även

Magnetisering vektor

Anteckningar

↑ GOST R 52002-2003 http://www.gostrf.com/normadata/1/4294816/4294816193.pdf Arkiverad 10 maj 2021 på Wayback Machine
↑ Sivukhin D.V. Allmän kurs i fysik. - M . : Nauka , 1977. - T. III. Elektricitet. — 688 sid. - sida 61