Поляризация диэлектриков

1. 2.  диэлектрлік ортадағы электр өрісі

 

 

 

     диэлектриктер – электр тогын өткізбейтін заттар. диэлектриктің барлық молекулалары электрлік  бейтарап күйде болады.

 

     полярлық емес диэлектриктер (молекулалары полярлық емес диэлектриктер) – молекулалық құрылымы симметриялық заттар. сыртқы электр өрісі болмаған жағдайда оң және теріс зарядтардың «ауырлық центрі» бір-біріне дәл келеді , сәйкесінше молекуланың дипольдік моменті . мысалы: n2, h2, o2, co2, ccl4.

 

сыртқы электр  өрісінің әсерінен полярлық емес молекулалардың зарядтары (оң зарядтар өріс бағытымен, теріс зарядтар өріске қарсы) ығысып, молекула дипольдік моментке ие болады.

 

     полярлық диэлектриктер (молекулалары полярлық диэлектриктер) – молекулалық құрылымы асимметриялық заттар. молекуладағы (атомдағы) электрондардың орналасуы ядроға қатысты симметриялы емес, яғни оң және теріс зарядтардың «ауырлық центрі» бір-біріне дәл келмейді , сәйкесінше сыртқы электр өрісі болмаған жағдайда молекуланың дипольдік моменті бар. мысалы: nh3, h2о, so2, ch3cl. полярлық диэлектриктердің молекулаларын электрлік қасиеттері тұрғысынан модулі бойынша дипольдік моменті тұрақты ( ) қатаң диполь ретінде қарастыруға болады. сыртқы электр  өрісінің әсерінен полярлық молекулалардың дипольдік моменттері сыртқы өріс бағытымен бағдарланады.

 

     иондық диэлектриктер – таңбалары кезектесіп отыратын дұрыс иондық кристалдық торлардан түзілетін заттар. мұндай кристалдардың молекулалары жеке бөлініп қарастырылмайды, иондық диэлектрикті бір-біріне еніп тұрған екі иондық торшалардың жүйесі деп алу керек. мысалы: nacl, kcl, kbr. сыртқы электр  өрісінің әсерінен иондық диэлектрикте кристалдық тордың деформациясы немесе торшалардың салыстырмалы ығысуы орындалады.

 

     диэлектриктің  поляризациясы (үйектелуі) – сыртқы электр  өрісінде дипольдердің бағдарлануы немесе бағдарланған дипольдердің пайда болу құбылысы. поляризациялану процесінде диэлектриктің кез келген өте аз көлемінде молекулалардың қортқы дипольдік моменті пайда болады.

 

     диэлектриктің  құрылысына қарай поляризация  үш түрге бөлінеді:

 

а)  электрондық (деформациялық) поляризация –полярлық емес диэлектриктің молекулаларында сыртқы электр  өрісі бойымен бағытталған индукцияланған дипольдік моменттердің пайда болуы. молекулалардың жылулық қозғалысы электрондық поляризацияға әсер етпейді. газ тәріздес және сұйық полярлық диэлектрикте электрондық поляризация мен бағдарлық поляризация қатар орындалады.

 

ә) бағдарлық (дипольдік) поляризация – полярлық молекулалардың дипольдік моменттерінің сыртқы электр  өрісі бағытына сәйкес бағдарлануы. молекулалардың жылулық қозғалысы толық бағдарлануға біршама кедергі келтіргенмен электр өрісінің үздіксіз әсерінің нәтижесінде өріс бойымен бағдарлану  орындалады. поляризация процесі электр өрісінің кернеулігінің  өсуі мен температураның төмендеуіне қарай тезірек өтеді.

 

б) иондық поляризация –  сыртқы электр  өрісінің әсерінен иондық диэлектрикте оң иондардың өріс бағытымен, теріс иондардың өріске қарсы салыстырмалы ығысуында дипольдік моменттердің пайда болуы.

 

 

 

      поляризациялану векторы – кіші  көлемді диэлектриктің толық дипольдік моментінің осы көлемге қатынасына тең, тұтас диэлектриктің поляризациялану дәрежесін сипаттайтын физикалық шама.

 

,                                        (51)

 

 мұндағы:  диэлектриктің і-ші молекуласының дипольдік моменті,

 

сыртқы электр  өрісіндегі дилектриктің дипольдік моменті.

 

–изотроптық диэлектрикте (сегнетоэлектриктен басқа) поляризациялану мен электр өрісі  кернеулігінің орта мәнінің байланысы: 

 

.                                          (52)

 

 

 

– диэлектриктің  e өтімділігі  мен c диэлектрлік алғырлығы  арасындағы байланыс:

 

.                                             (53)

 

 

 

          диэлектрик ішіндегі қортқы электр өрісі:  біртекті электр өрісінде  поляризацияланған диэлектрикте байланған зарядтардың электр өрісі кернеулігі сыртқы өріске қарсы бағытталып әлсіретеді (10-сурет)   .    қортқы электр  өрісінің кернеулігі:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10-сурет

 

 

 

                                                                                        

 

– сыртқы электр өрісі кернеулігі мен диэлектриктегі электр өрісі кернеулігі   арасындағы байланыс:

 

.                                  (54)

 

 

 

     ортаның диэлектрлік өтімділігі –электр өрісіне диэлектрик орналасқанда өрістің қаншалықты әлсірейтінін және диэлектриктің поляризациялану қасиетін сандық сипаттайтын өлшемі жоқ шама:

 

.                                                  (55)

 

     электрлік ығысу (электрлік индукция)   – изотропты ортада еркін зарядтардың электрстатикалық өрісін сипаттайтын векторлық шама:

 

.                                   (56)

 

 

 

диэлектрикте қортқы өріс кернеулігі векторының сызықтары кез келген (еркін зарядтарда, байланған зарядтарда) басталады және аяқталады. ығысу векторының сызықтары тек еркін зарядтарда ғана басталады және аяқталады.

 

     электрлік ығысу сызықтары – жанамалары берілген нүктедегі ығысу векторымен сәйкес келетін сызықтар (11-сурет). электр өрісінің  әрбір нүктесінде ығысу  векторының бағыты  тек біреу болатындықтан, күш сызықтары ешқашан өзара қиылыспайды.

 

 

                                                 

                                                   2

 

 

 

                                  1                            

 

                                                

 

 

    3

 

 

 

                                                 

 

11-сурет

 

 

 

     электрлік ығысу векторының ағыны – электрлік ығысу сызықтарына перпендикуляр беттің бірлік ауданын тесіп өтетін ығысу сызықтарының тығыздығын (санын) сипаттайтын шама.

 

     электрлік ығысу векторының элементар ағыны – беттің шексіз аз  ауданшасынан өтетін ығысу сызықтарының саны (12-сурет):

 

,                                   (57)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                           ds                                             

 

                                            α

 

                                                

 

                                         

 

                                                                          

 

 

 

 

 

12-сурет

 

 

 

мұндағы – модулі –ке тең, бағыты ауданшаға жүргізілген бірлік  нормальға сәйкес вектор.

 

 

 

     электрлік ығысу векторының ауданы s толық тұйық беттен өткен ағыны тұйықталған беттің шексіз аз   ауданшаларынан өтетін ағындардың алгебралық қосындысына тең:

 

.                                      (58)

 

 

 

     диэлектриктегі  электрстатикалық өріс үшін остроградский-гаусс теоремасы:  кез келген тұйықталған бет арқылы өтетін электрлік ығысу векторының толық ағыны осы беттің ішінде қамтылған еркін зарядтардың алгебралық қосындысына тең болады:

 

 

.                                   (59)

 

    

 

сегнетоэлектриктер – температураның белгілі бір аумағында сыртқы электр өрісі жоқ кезде спонтанды (өздігінен) поляризациялануға қабылетті диэлектриктер ( мысалы, nakc4h4o6∙4h2o – сегнет тұзы, атауы осыдан алынған, барий титанаты batio3). сегнетоэлектриктер сыртқы электр өрісі жоқ кезде қаныға поляризацияланған әртүрлі бағытталған электрлік моменттері  бар микроскопиялық көлемдерден –домендерден  (диэлектриктік домендер) тұрады (13-сурет). тұтас сегнетоэлектриктің толық электрлік моменті нөлге тең.

 

 

 

 

13-сурет

 

 

 

сыртқы электр өрісінде домендердің электрлік моменттері өріске сәйкес бағдарланады.  сыртқы  күшті электр өрісінде сегнетоэлектриктің  берілген көлемі толық поляризацияланып, қанығу деңгейіне жетеді, яғни өріс   кернеулігінің одан әрі өсуінде поляризациялану өзгермейді.

 

сыртқы электр өрісінің кернеулігі кемігенде кері процесс біршама кешігіп орындалады (гистерезис құбылысы). өрістің әсері тоқтағанда ( ) қалдық поляризация сақталады.

 

     коэрцитивтік күш – қалдық поляризацияны жоюға қажет қарсы бағытталған электр өрісі кернеулігінің шамасы  – .

 

     сегнетоэлектриктердің  салыстырмалы диэлектрлік өтімділігі e мен диэлектрлік алғырлығы c – үлкен шамалар (жуықтап алғанда 103–106),  заттың химиялық табиғатына ғана емес, сонымен қатар,  температураға, электр өрісі кернеулігіне, алдын-ала поляризациялану  дәрежесіне тәуелді болады.

 

     кюри нүктесі  –сегнетоэлектриктің өз қасиетін жоғалтып, қалыпты полярлы диэлектрикке  айналатын температура. кюри нүктесінде сегнетоэлектриктің фазалық түрленуі орындалады, яғни зат поляризацияланбайтын фазадан спонтанды поляризацияланатын фазаға, немесе, керісінше, спонтанды поляризацияланатын фазадан поляризацияланбайтын фазаға ауысады.