Điện môi trong điện trường

Tất cả các chất mà nhân loại biết đến đều có khả năng dẫn dòng điện ở các mức độ khác nhau: một số dẫn điện tốt hơn, một số khác kém hơn, một số khác hầu như không dẫn điện. Theo khả năng này, các chất được chia thành ba loại chính:

• điện môi;

• Chất bán dẫn;

• chất dẫn điện.

Một chất điện môi lý tưởng không chứa điện tích có khả năng di chuyển trên những khoảng cách đáng kể, nghĩa là không có điện tích tự do trong một chất điện môi lý tưởng. Tuy nhiên, khi được đặt trong trường tĩnh điện bên ngoài, chất điện môi sẽ phản ứng với nó. Sự phân cực điện môi xảy ra, tức là dưới tác dụng của điện trường, các điện tích trong chất điện môi bị dịch chuyển. Tính chất này, khả năng phân cực của chất điện môi, là tính chất cơ bản của chất điện môi.

Do đó, sự phân cực của chất điện môi bao gồm ba thành phần của khả năng phân cực:

• điện tử;

• Jonna;

• Lưỡng cực (định hướng).

Trong phân cực, các điện tích bị dịch chuyển dưới tác dụng của trường tĩnh điện. Kết quả là mỗi nguyên tử hoặc mỗi phân tử tạo ra một mô men điện P.

Điện tích của các lưỡng cực bên trong chất điện môi được bù trừ lẫn nhau, nhưng trên các bề mặt bên ngoài tiếp giáp với các điện cực đóng vai trò là nguồn điện trường, các điện tích liên quan đến bề mặt xuất hiện trái dấu với điện tích của điện cực tương ứng.

Trường tĩnh điện của các điện tích liên kết E' luôn hướng vào trường tĩnh điện bên ngoài E0. Hóa ra bên trong chất điện môi có một điện trường bằng E = E0—E'.

Nếu một vật thể làm bằng chất điện môi ở dạng một khối song song được đặt trong trường tĩnh điện có cường độ E0, thì mômen điện của nó có thể được tính theo công thức: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, trong đó σ' là mật độ bề mặt của các điện tích liên kết, và φ là góc giữa bề mặt của một mặt có diện tích S và pháp tuyến với nó.

Ngoài ra, khi biết n — nồng độ phân tử trên một đơn vị thể tích của chất điện môi và P1 — mômen điện của một phân tử, chúng ta có thể tính giá trị của vectơ phân cực, tức là mômen điện trên một đơn vị thể tích của chất điện môi.

Bây giờ thay thể tích của khối song song V = SlCos φ, có thể dễ dàng kết luận rằng mật độ bề mặt của các điện tích phân cực bằng số với thành phần pháp tuyến của vectơ phân cực tại một điểm cho trước trên bề mặt. Hệ quả hợp lý là trường tĩnh điện E' gây ra trong chất điện môi chỉ ảnh hưởng đến thành phần bình thường của trường tĩnh điện bên ngoài E được áp dụng.

Sau khi viết momen điện của một phân tử dưới dạng điện áp, độ phân cực và hằng số điện môi của chân không, vectơ phân cực có thể được viết là:

Trong đó α là độ phân cực của một phân tử của một chất nhất định và χ = nα là độ nhạy điện môi, một đại lượng vĩ mô đặc trưng cho độ phân cực trên một đơn vị thể tích. Độ nhạy điện môi là một đại lượng không thứ nguyên.

Do đó, trường tĩnh điện kết quả E thay đổi, so với E0, chỉ là thành phần bình thường. Thành phần tiếp tuyến của trường (hướng tiếp tuyến với bề mặt) không thay đổi. Do đó, ở dạng vectơ, giá trị của cường độ trường kết quả có thể được viết:

Giá trị cường độ trường tĩnh điện thu được trong chất điện môi bằng cường độ trường tĩnh điện bên ngoài chia cho hằng số điện môi của môi trường ε:

Hằng số điện môi của môi trường ε = 1 + χ là đặc tính chính của chất điện môi và cho biết tính chất điện của nó. Ý nghĩa vật lý của đặc tính này là nó cho biết cường độ trường E trong môi trường điện môi nhất định nhỏ hơn cường độ E0 trong chân không bao nhiêu lần:

Khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác, cường độ trường tĩnh điện thay đổi rõ rệt và vẽ đồ thị sự phụ thuộc của cường độ trường vào bán kính của quả cầu điện môi trong môi trường có hằng số điện môi ε2 khác với hằng số điện môi của quả cầu ε1 phản ánh điều này:

sắt điện

Năm 1920 là năm phát hiện ra hiện tượng phân cực tự phát. Nhóm chất dễ bị hiện tượng này gọi là chất sắt điện hay chất sắt điện. Hiện tượng xảy ra do thực tế là sắt điện được đặc trưng bởi tính dị hướng của các tính chất, trong đó hiện tượng sắt điện chỉ có thể được quan sát dọc theo một trong các trục tinh thể. Trong điện môi đẳng hướng, tất cả các phân tử đều bị phân cực theo cùng một cách.Đối với dị hướng - theo các hướng khác nhau, các vectơ phân cực có hướng khác nhau.

Sắt điện được phân biệt bởi các giá trị cao của hằng số điện môi ε trong một phạm vi nhiệt độ nhất định:

Trong trường hợp này, giá trị của ε phụ thuộc vào cả trường tĩnh điện bên ngoài E áp dụng cho mẫu và lịch sử của mẫu. Hằng số điện môi và mômen điện ở đây phụ thuộc phi tuyến vào lực E, do đó sắt điện thuộc loại điện môi phi tuyến.

Sắt điện được đặc trưng bởi điểm Curie, nghĩa là bắt đầu từ một nhiệt độ nhất định trở lên, hiệu ứng sắt điện biến mất. Trong trường hợp này, xảy ra quá trình chuyển pha bậc hai, ví dụ, đối với bari titanat, nhiệt độ của điểm Curie là + 133 ° C, đối với muối Rochelle từ -18 ° C đến + 24 ° C, đối với lithium niobate + 1210°C.

Vì chất điện môi được phân cực phi tuyến tính, hiện tượng trễ điện môi diễn ra ở đây. Bão hòa xảy ra tại điểm «a» của đồ thị. Ec—lực cưỡng bức, Pc—phân cực dư. Đường cong phân cực được gọi là vòng trễ.

Do xu hướng hướng tới năng lượng tối thiểu tiềm năng, cũng như do các khiếm khuyết vốn có trong cấu trúc của chúng, các chất sắt điện được chia thành các miền bên trong. Các miền có các hướng phân cực khác nhau và trong trường hợp không có trường bên ngoài, tổng momen lưỡng cực của chúng gần như bằng không.

Dưới tác động của trường bên ngoài E, ranh giới của các miền bị dịch chuyển và một số vùng bị phân cực đối với trường góp phần vào sự phân cực của các miền theo hướng của trường E.

Một ví dụ sinh động về cấu trúc như vậy là sự biến đổi tứ giác của BaTiO3.

Trong một trường E đủ mạnh, tinh thể trở thành một miền và sau khi tắt trường bên ngoài, sự phân cực vẫn còn (đây là sự phân cực dư Pc).

Để cân bằng thể tích của các vùng trái dấu, cần tác dụng lên mẫu một trường tĩnh điện bên ngoài Ec, một trường cưỡng bức, theo hướng ngược lại.

thợ điện

Trong số các chất điện môi, có các chất tương tự điện của nam châm vĩnh cửu - điện cực. Đây là những chất điện môi đặc biệt có thể duy trì sự phân cực trong một thời gian dài ngay cả sau khi tắt điện trường bên ngoài.

áp điện

Trong tự nhiên có những chất điện môi bị phân cực do tác động cơ học lên chúng. Tinh thể bị phân cực do biến dạng cơ học. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện. Nó được khai trương vào năm 1880 bởi anh em Jacques và Pierre Curie.

Kết luận là như sau. Tại các điện cực kim loại nằm trên bề mặt của tinh thể áp điện, tại thời điểm biến dạng của tinh thể sẽ xảy ra sự chênh lệch điện thế. Nếu đóng các điện cực bằng dây dẫn thì trong mạch sẽ xuất hiện dòng điện.

Hiệu ứng áp điện ngược cũng có thể xảy ra — sự phân cực của tinh thể dẫn đến sự biến dạng của nó. nó sẽ tỷ lệ thuận với cường độ trường ứng dụng E0. Hiện nay, khoa học đã biết hơn 1800 loại áp điện. Tất cả các chất sắt điện trong pha phân cực đều thể hiện tính chất áp điện.

nhiệt điện

Một số tinh thể điện môi phân cực khi được nung nóng hoặc làm lạnh, một hiện tượng được gọi là nhiệt điện.Ví dụ, một đầu của mẫu nhiệt điện trở nên tích điện âm khi được nung nóng, trong khi đầu kia tích điện dương. Và khi nó nguội đi, đầu tích điện âm khi nóng lên sẽ tích điện dương khi nó nguội đi. Rõ ràng, hiện tượng này có liên quan đến sự thay đổi độ phân cực ban đầu của một chất với sự thay đổi nhiệt độ của nó.

Mỗi nhiệt điện đều có tính chất áp điện, nhưng không phải áp điện nào cũng là hỏa điện. Một số chất nhiệt điện có tính chất sắt điện, nghĩa là chúng có khả năng phân cực tự phát.

dịch chuyển điện

Tại ranh giới của hai môi trường với các giá trị khác nhau của hằng số điện môi, cường độ của trường tĩnh điện E thay đổi mạnh tại nơi thay đổi mạnh trong ε.

Để đơn giản hóa các tính toán trong tĩnh điện học, vectơ dịch chuyển điện hoặc cảm ứng điện D đã được giới thiệu.

Vì E1ε1 = E2ε2 nên E1ε1ε0 = E2ε2ε0, nghĩa là:

Tức là trong quá trình chuyển từ môi trường này sang môi trường khác, véc tơ độ dời điện trường không đổi, tức là xuất hiện cảm ứng điện. Điều này được thể hiện rõ qua hình:

Đối với một điện tích điểm trong chân không thì vectơ độ dời điện tích là:

Giống như từ thông đối với từ trường, tĩnh điện học sử dụng từ thông của một vectơ dịch chuyển điện trường.

Vì vậy, đối với một trường tĩnh điện đều, khi các đường của vectơ dịch chuyển điện D đi qua vùng S một góc α so với pháp tuyến, chúng ta có thể viết:

Định lý Ostrogradsky-Gauss cho vectơ E cho phép chúng ta thu được định lý tương ứng cho vectơ D.

Vì vậy, định lý Ostrogradsky-Gauss cho vectơ dịch chuyển điện D nghe giống như sau:

Thông lượng của vectơ D qua bất kỳ mặt kín nào chỉ được xác định bởi các điện tích tự do, không phải bởi tất cả các điện tích bên trong thể tích giới hạn bởi mặt đó.

Ví dụ, chúng ta có thể xem xét một vấn đề với hai chất điện môi mở rộng vô hạn với ε khác nhau và với một mặt phân cách giữa hai môi trường được thâm nhập bởi một trường bên ngoài E.

Nếu ε2 > ε1 thì xét đến E1n / E2n = ε2 / ε1 và E1t = E2t, vì chỉ có thành phần pháp tuyến của vectơ E thay đổi nên chỉ có hướng của vectơ E thay đổi.

Ta thu được định luật khúc xạ của véc tơ cường độ E .

Định luật khúc xạ đối với vectơ D tương tự như D = εε0E và điều này được minh họa trong hình: