Eristeiden polarisaatio

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 22. kesäkuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 5 muokkausta .

Dielektrinen polarisaatio on ilmiö, joka liittyy sidottujen varausten rajoitettuun siirtymiseen dielektrissä tai sähködipolien pyörimiseen , yleensä ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta .

Eristeiden polarisaatiolle on tunnusomaista sähköinen polarisaatiovektori . Tämän vektorin fysikaalinen merkitys on dipolimomentti dielektrin tilavuusyksikköä kohti. Joskus polarisaatiovektoria kutsutaan lyhyesti yksinkertaisesti polarisaatioksi (ja käy ilmi, että yksi termi tarkoittaa sekä ilmiötä että sen kvantitatiivista indikaattoria).

Erotetaan eristeessä ulkoisen kentän vaikutuksesta indusoituva polarisaatio ja spontaani (spontaani) polarisaatio, joka tapahtuu ferrosähköisissä ulkoisen kentän puuttuessa. Joissakin tapauksissa eristeen (ferrosähköinen) polarisaatio tapahtuu mekaanisten jännitysten, kitkavoimien vaikutuksesta tai lämpötilan muutoksista.

Polarisaatio ei muuta kokonaisvarausta missään makroskooppisessa tilavuudessa homogeenisen eristeen sisällä. Siihen liittyy kuitenkin sitoutuneiden sähkövarausten ilmaantuminen sen pinnalle tietyllä pintatiheydellä σ. Nämä sidotut varaukset luovat eristeessä voimakkuuden lisäävän makroskooppisen kentän , joka on suunnattu voimakkuudeltaan ulkoista kenttää vastaan . Tämän seurauksena kentänvoimakkuus eristeen sisällä ilmaistaan tasa-arvolla ${\mathbf E}_{1}$ ${\mathbf E}_{0}$ ${\mathbf E}$ ${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}-\mathbf {E} _{1))$

Sähköisen polarisaation analogi magnetismin alalla on magnetointiefekti, jolle on tunnusomaista magnetointivektori .

Polarisaatiotyypit

Polarisaatiomekanismista riippuen eristeiden polarisaatio voidaan jakaa seuraaviin tyyppeihin:

Elektroninen - atomien elektronikuorten siirtyminen ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Nopein polarisaatio (jopa 10 −15 s). Ei liity energiahäviöön.
Ioninen - kidehilan solmujen siirtymä ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta, ja siirtymä on pienempi kuin hilavakion arvo . Virtausaika on 10 −13 s, ilman häviötä.
Dipoli (orientaatio) - etenee tappiolla voittaakseen viestintävoimat ja sisäisen kitkan. Liittyy dipolien suuntautumiseen ulkoisessa sähkökentässä.
Elektronirelaksaatio - viallisten elektronien suuntautuminen ulkoiseen sähkökenttään.
Ionirelaksaatio - ionien siirtyminen, jotka ovat löyhästi kiinnittyneitä kiderakenteen solmuihin tai sijaitsevat interstitiaalissa.
Rakenteellinen - epäpuhtauksien ja epähomogeenisten makroskooppisten sulkeumien suuntaus dielektrissä. Hitain tyyppi.
Spontaani (spontaani) - tapahtuu ulkoisen sähkökentän puuttuessa. Se havaitaan materiaaleissa, jotka koostuvat yksittäisistä domeeneista (alueista). Jokaisella alueella on oma suuntansa, joka eroaa muista alueista, minkä seurauksena materiaalin kokonaisdipolimomentti on nolla. Kun ulkoista sähkökenttää käytetään, alueiden dipolimomentit suuntautuvat kenttää pitkin. Tuloksena oleva polarisaatio osoittaa olennaisesti epälineaarisia ominaisuuksia jopa matalilla ulkoisen kentän arvoilla; hystereesiä havaitaan . Tällaisille eristeille (ferrosähköisille) on ominaista erittäin korkeat dielektrisyysvakiot (900 - 7500 tietyntyyppisille kondensaattorikeramiikkatyypeille).
Resonanssi - hiukkasten suuntaus, jonka luonnolliset värähtelytaajuudet ovat samat kuin ulkoisen sähkökentän taajuudet.
Migraatiopolarisaatio johtuu eri johtavuudesta omaavien kerrosten läsnäolosta materiaalissa, avaruusvarausten muodostumisesta erityisesti suurissa jännitegradienteissa; on suuria häviöitä ja se on viivästynyt toimintapolarisaatio.

Eristeiden polarisaatio (resonanssia lukuun ottamatta) on suurin staattisissa sähkökentissä. Vaihtuvissa kentissä elektronien, ionien ja sähködipolien inertian vuoksi sähköinen polarisaatiovektori riippuu taajuudesta.

Polarisaatiomekanismit

Indusoitunut sähkökenttä
- Elastinen (muodonmuutos)
- Lämpö (hyppely)
- Volumetrinen lataus (siirto)

Erilaisten polarisaatiotyyppien vertailuparametrit

Polarisaatio	Hiukkasten siirtymä, nm, kentässä V/m $10^{6}$	Rentoutumisaika, s	hiukkaspitoisuus, ${\displaystyle m^{-3))$
Elastinen (siirtymä)	$10^{-6}$	$10^{-12}-10^{-16}$	$10^{{28}}$
Lämpö (hyppely)	$0.5$	$10^{-6}-10^{-10}$	$10^{{25}}$
Volumetrinen lataus (siirto)	$10^{{6}}$	$10^{4}-10^{-4}$	$10^{{23}}$

Syynä ei-sähköisku
- Pietsopolarisaatio
- Pyropolarisaatio
- Valopolarisaatio
Olemassa ilman ulkoisia vaikutteita
- Spontaani
- Jäännös

Polarisaatiovektorin riippuvuus ulkoisesta kentästä

Vakiokentässä

Heikoilla alueilla

Vakiona tai melko hitaasti muuttuvassa ulkoisessa sähkökentässä tämän kentän riittävän pienellä voimakkuudella polarisaatiovektori ( polarisaatio ) P on pääsääntöisesti (paitsi ferrosähköinen) lineaarisesti riippuvainen kentänvoimakkuusvektorista E :

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

( CGS -järjestelmässä ),

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

( Kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI) ; lisäksi tämän kappaleen kaavat annetaan vain CGS:ssä, SI-kaavat eroavat edelleen vain sähkövakiosta )

\varepsilon_{0}

missä on kerroin, joka riippuu väliaineen kemiallisesta koostumuksesta, pitoisuudesta, rakenteesta (mukaan lukien aggregaatiotila), lämpötilasta, mekaanisista jännityksistä jne. (joissakin tekijöissä voimakkaammin, toisissa heikommin, tietysti riippuen muuttuu kukin), ja sitä kutsutaan tietyn väliaineen (sähköiseksi) polarisoituvuudeksi (ja useammin, ainakin siinä tapauksessa, kun se ilmaistaan skalaarilla - dielektriseksi susceptibiliteetiksi ). Homogeeniselle väliaineelle, jolla on kiinteä koostumus ja rakenne kiinteissä olosuhteissa, sitä voidaan pitää vakiona. Kuitenkin kaiken edellä mainitun yhteydessä se riippuu yleisesti ottaen pisteestä tilassa, ajasta (eksplisiittisesti tai muiden parametrien kautta) jne. $\chi$ $\chi$

Isotrooppisille [2] nesteille, isotrooppisille kiinteille aineille tai kiteille, joiden symmetria on riittävän suuri , se on yksinkertaisesti luku (skalaari). Yleisemmässä tapauksessa (matalasymmetrisille kiteille, mekaanisten jännitysten vaikutuksesta jne.) - tensori (toisen luokan symmetrinen tensori, yleisesti ottaen ei-degeneroitunut), jota kutsutaan polarisaatiotensoriksi . Tässä tapauksessa voit kirjoittaa kaavan uudelleen seuraavasti (komponenteissa): $\chi$ $\chi$

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

jossa suureet symboleilla vastaavat kolmea spatiaalista koordinaattia vastaavia vektori- ja tensorikomponentteja.

Voidaan nähdä, että polarisoituvuus on yksi kätevimmistä fysikaalisista suureista havainnollistamaan yksinkertaista tensorien fysikaalista merkitystä ja niiden käyttöä fysiikassa.

Mitä tahansa toisen asteen symmetriselle ei-degeneroituneelle tensorille, polarisoituvuustensorille voidaan valita (jos väliaine on epähomogeeninen – eli tensori riippuu avaruuden pisteestä – niin ainakin paikallisesti; oma kanta - suorakulmaiset karteesiset koordinaatit, joissa matriisista tulee diagonaali, eli se saa muodon, jossa vain kolme yhdeksästä komponentista on nollasta poikkeavia: , ja . Tässä tapauksessa merkitsemällä yksinkertaisuuden vuoksi , saamme edellisen kaavan sijaan yksinkertaisemman $\chi _{{ij}}$ $\chi _{{ij}}$ $\chi _{{11}}$ $\chi _{{22}}$ $\chi _{{33}}$ $\chi _{{ii}}$ $\chi _{i}$

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

Suureita kutsutaan pääpolarisaatioiksi (tai päädielektrisiksi suskeptioiksi ). Jos väliaine on isotrooppinen polarisoituvuuden suhteen, niin kaikki kolme pääpolarisoituvuutta ovat keskenään yhtä suuret ja tensorin toiminta pelkistyy yksinkertaiseen kertomiseen luvulla. $\chi _{i}$

Vahvilla aloilla

Riittävän voimakkaissa kentissä [3] kaikkea edellä kuvattua vaikeuttaa se, että sähkökentän voimakkuuden kasvaessa P :n riippuvuuden lineaarisuus E :stä ennemmin tai myöhemmin häviää .

Ilmenevän epälineaarisuuden luonne ja kentän ominaisarvo, jolla epälineaarisuus tulee havaittavaksi, riippuu väliaineen yksittäisistä ominaisuuksista, olosuhteista jne.

Voidaan erottaa niiden yhteys edellä kuvattuihin polarisaatiotyyppeihin .

Siten elektroniselle ja ioniselle polarisaatiolle kentillä, jotka lähestyvät ionisaatiopotentiaalin ja molekyylin ominaiskoon U 0 /D välisen suhteen suuruusluokkaa , on ensinnäkin ominaista polarisaatiovektorin kasvun kiihtyvyys kentän kasvaessa. (käyrän P(E) kaltevuuden kasvu ), siirtyy sitten tasaisesti eristeen hajoamiseen .

Dipoli (orientaatio) polarisaatio tavallisesti hieman pienemmillä ulkoisen kentänvoimakkuuden arvoilla - luokkaa kT / p (missä p on molekyylin dipolimomentti, T on lämpötila, k on Boltzmannin vakio ) - eli , kun dipolin (molekyylin) vuorovaikutusenergia kentän kanssa tulee verrattavissa dipolin keskimääräiseen lämpöliikkeen (pyörimisen) energiaan - päinvastoin, se alkaa saavuttaa kyllästymisen (kentänvoimakkuuden lisääntyessä edelleen, nopeammin tai myöhemmin yllä kuvatun sähköisen tai ionisen polarisaation skenaarion, joka päättyy rikkoutumiseen, pitäisi käynnistyä ennemmin tai myöhemmin).

Aikariippuvaisessa kentässä

Polarisaatiovektorin riippuvuus nopeasti muuttuvasta ulkoisesta kentästä ajassa on melko monimutkainen. Se riippuu tietystä ulkoisen kentän muutoksen tyypistä ajan myötä, tämän muutoksen nopeudesta (tai esimerkiksi värähtelytaajuudesta) ulkoisessa kentässä, vallitsevasta polarisaatiomekanismista tietyssä aineessa tai väliaineessa (joka myös osoittautuu olla erilainen ulkoisen kentän erilaisille riippuvuuksille ajasta, taajuuksista jne.). d.).

Riittävän hitaalla ulkoisen kentän muutoksella polarisaatio tapahtuu yleensä kuten vakiokentässä tai hyvin lähellä sitä (mutta kuinka hidas kentän muutoksen tulee olla, jotta tämä tapahtuu, riippuu ja usein erittäin voimakkaastikin vallitsevasta tyypistä polarisaatiosta ja muista olosuhteista, kuten lämpötilasta).

Yksi yleisimmistä lähestymistavoista tutkia polarisaation riippuvuutta ajassa muuttuvan kentän luonteesta on tutkia (teoreettisesti ja kokeellisesti) tapausta ulkoisen kentän sinimuotoisesta aikariippuvuudesta ja polarisaatiovektorin riippuvuudesta (joka myös muuttuu tässä tapauksessa sinimuotoisen lain mukaan samalla taajuudella), sen amplitudi ja vaihesiirto taajuuden funktiona.

Jokainen polarisaatiomekanismi kokonaisuutena vastaa yhtä tai toista taajuusaluetta ja taajuusriippuvuuden yleistä luonnetta.

Taajuusalue, jolla on järkevää puhua eristeiden polarisaatiosta sinänsä, ulottuu nollasta jonnekin ultraviolettialueelle , jossa ionisaatio tulee voimakkaaksi kentän vaikutuksesta.

Katso myös

Muistiinpanot

↑ Res, 1989 , s. 65.
↑ Yleensä nesteitä voidaan pitää isotrooppisina, mutta tämä ei välttämättä pidä paikkaansa kaikkien nesteluokkien kohdalla ja eri häiriöt voivat häiritä niitä (joskus erittäin voimakkaasti, esim. polymeeriliuokset jne.), joten tämä on parempi selventää. nimenomaisesti.
↑ Tässä kappaleessa oletetaan, että kenttä muuttuu jatkuvasti tai hitaasti ajassa - eli vain kentänvoimakkuuden suureen suuruuteen liittyvät asiat vaikuttavat; Komplikaatiot, jotka liittyvät kentän riittävän nopeaan muutokseen ajan myötä, kuvataan alla erillisessä osiossa.

Kirjallisuus

Rez I. S., Poplavko Yu. M. Dilectrics . Perusominaisuudet ja sovellus elektroniikassa. - M . : Radio ja viestintä, 1989. - 288 s. — ISBN 5-256-00235-X .

Linkit

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