Dielektrik dalam medan listrik

Semua zat yang diketahui umat manusia mampu menghantarkan arus listrik ke berbagai tingkat: beberapa menghantarkan arus lebih baik, yang lain lebih buruk, yang lain hampir tidak menghantarkannya sama sekali. Menurut kemampuan ini, zat dibagi menjadi tiga kelas utama:

• Dielektrik;

• Semikonduktor;

• Konduktor.

Dielektrik ideal tidak mengandung muatan yang mampu bergerak dalam jarak yang signifikan, artinya, tidak ada muatan bebas dalam dielektrik ideal. Namun, ketika ditempatkan di medan elektrostatik eksternal, dielektrik bereaksi terhadapnya. Polarisasi dielektrik terjadi, yaitu, di bawah pengaruh medan listrik, muatan dalam dielektrik dipindahkan. Properti ini, kemampuan dielektrik untuk mempolarisasi, adalah properti fundamental dielektrik.

Jadi, polarisasi dielektrik mencakup tiga komponen polarisasi:

• Elektronik;

• Jonna;

• Dipol (orientasi).

Dalam polarisasi, muatan dipindahkan di bawah aksi medan elektrostatik. Akibatnya, setiap atom atau setiap molekul menghasilkan momen listrik P.

Muatan dipol di dalam dielektrik dikompensasi satu sama lain, tetapi pada permukaan luar yang berdekatan dengan elektroda yang berfungsi sebagai sumber medan listrik, muncul muatan terkait permukaan yang memiliki tanda berlawanan dengan muatan elektroda yang sesuai.

Medan elektrostatik dari muatan terkait E' selalu diarahkan melawan medan elektrostatik eksternal E0. Ternyata di dalam dielektrik tersebut terdapat medan listrik sebesar E = E0 — E'.

Jika benda yang terbuat dari dielektrik berbentuk pipa sejajar ditempatkan dalam medan elektrostatik berkekuatan E0, maka momen listriknya dapat dihitung dengan rumus: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, di mana σ' adalah kerapatan permukaan muatan terkait, dan φ adalah sudut antara permukaan permukaan bidang S dan garis normalnya.

Selain itu, mengetahui n — konsentrasi molekul per satuan volume dielektrik dan P1 — momen listrik satu molekul, kita dapat menghitung nilai vektor polarisasi, yaitu momen listrik per satuan volume dielektrik.

Mengganti sekarang volume paralelepiped V = SlCos φ, mudah untuk menyimpulkan bahwa kerapatan permukaan muatan polarisasi secara numerik sama dengan komponen normal vektor polarisasi pada titik tertentu di permukaan. Konsekuensi logisnya adalah bahwa medan elektrostatik E' yang diinduksi dalam dielektrik hanya mempengaruhi komponen normal dari medan elektrostatik eksternal yang diterapkan E.

Setelah menulis momen listrik molekul dalam bentuk tegangan, polarisabilitas dan konstanta dielektrik vakum, vektor polarisasi dapat ditulis sebagai:

Di mana α adalah polarisasi satu molekul suatu zat tertentu, dan χ = nα adalah kerentanan dielektrik, kuantitas makroskopik yang mencirikan polarisasi per satuan volume. Kerentanan dielektrik adalah kuantitas tanpa dimensi.

Dengan demikian, medan elektrostatis E yang dihasilkan berubah, dibandingkan dengan E0, hanya komponen normal. Komponen tangensial bidang (diarahkan secara tangensial ke permukaan) tidak berubah. Akibatnya, dalam bentuk vektor, nilai kekuatan medan yang dihasilkan dapat ditulis:

Nilai kekuatan medan elektrostatik yang dihasilkan dalam dielektrik sama dengan kekuatan medan elektrostatik eksternal dibagi dengan konstanta dielektrik medium ε:

Konstanta dielektrik medium ε = 1 + χ adalah karakteristik utama dielektrik dan menunjukkan sifat kelistrikannya. Arti fisik dari karakteristik ini adalah menunjukkan berapa kali kekuatan medan E dalam media dielektrik tertentu lebih kecil dari kekuatan E0 dalam ruang hampa:

Saat berpindah dari satu media ke media lain, kekuatan medan elektrostatik berubah tajam, dan grafik ketergantungan kekuatan medan pada jari-jari bola dielektrik dalam media dengan konstanta dielektrik ε2 berbeda dari konstanta dielektrik bola ε1 mencerminkan hal ini:

Feroelektrik

Tahun 1920 adalah tahun penemuan fenomena polarisasi spontan. Kelompok zat yang rentan terhadap fenomena ini disebut feroelektrik atau feroelektrik. Fenomena tersebut terjadi karena feroelektrik dicirikan oleh sifat anisotropi, di mana fenomena feroelektrik hanya dapat diamati di sepanjang salah satu sumbu kristal. Dalam dielektrik isotropik, semua molekul terpolarisasi dengan cara yang sama.Untuk anisotropik - dalam arah yang berbeda, vektor polarisasi berbeda arah.

Feroelektrik dibedakan dengan nilai konstanta dielektrik ε yang tinggi dalam kisaran suhu tertentu:

Dalam hal ini, nilai ε bergantung pada medan elektrostatis eksternal E yang diterapkan pada sampel dan riwayat sampel. Konstanta dielektrik dan momen listrik di sini secara nonlinier bergantung pada gaya E, oleh karena itu feroelektrik termasuk dielektrik nonlinier.

Feroelektrik dicirikan oleh titik Curie, yaitu mulai dari suhu tertentu dan lebih tinggi, efek feroelektrik menghilang. Dalam hal ini, terjadi transisi fase orde kedua, misalnya untuk barium titanat, suhu titik Curie adalah + 133 ° C, untuk garam Rochelle dari -18 ° C hingga + 24 ° C, untuk lithium niobate + 1210 °C.

Karena dielektrik terpolarisasi nonlinier, histeresis dielektrik terjadi di sini. Kejenuhan terjadi pada titik «a» grafik. Ec - gaya koersif, Pc - polarisasi sisa. Kurva polarisasi disebut loop histeresis.

Karena kecenderungan energi potensial minimum, serta karena cacat yang melekat pada strukturnya, feroelektrik secara internal dipecah menjadi domain. Domain memiliki arah polarisasi yang berbeda dan dengan tidak adanya medan eksternal total momen dipolnya hampir nol.

Di bawah aksi medan eksternal E, batas-batas domain bergeser, dan beberapa daerah terpolarisasi sehubungan dengan medan berkontribusi pada polarisasi domain ke arah medan E.

Contoh nyata dari struktur tersebut adalah modifikasi tetragonal BaTiO3.

Dalam medan E yang cukup kuat, kristal menjadi domain tunggal, dan setelah mematikan medan eksternal, polarisasi tetap ada (ini adalah sisa polarisasi Pc).

Untuk menyamakan volume daerah dengan tanda yang berlawanan, perlu diterapkan pada sampel medan elektrostatik eksternal Ec, medan koersif, dalam arah yang berlawanan.

Listrik

Di antara dielektrik, ada analog listrik dari magnet permanen - elektroda. Ini adalah dielektrik khusus yang mampu mempertahankan polarisasi untuk waktu yang lama bahkan setelah medan listrik eksternal dimatikan.

Piezoelektrik

Di alam ada dielektrik yang terpolarisasi oleh dampak mekanis padanya. Kristal terpolarisasi oleh deformasi mekanis. Fenomena ini dikenal sebagai efek piezoelektrik. Dibuka pada tahun 1880 oleh saudara Jacques dan Pierre Curie.

Kesimpulannya adalah sebagai berikut. Pada elektroda logam yang terletak di permukaan kristal piezoelektrik, perbedaan potensial akan terjadi pada saat deformasi kristal. Jika elektroda ditutup oleh kawat, maka arus listrik akan muncul di sirkuit.

Efek piezoelektrik terbalik juga dimungkinkan - polarisasi kristal menyebabkan deformasi.Ketika tegangan diterapkan ke elektroda yang diterapkan pada kristal piezoelektrik, terjadi deformasi mekanis kristal; itu akan sebanding dengan kekuatan medan yang diterapkan E0. Saat ini, sains mengetahui lebih dari 1800 jenis piezoelektrik. Semua feroelektrik dalam fase kutub menunjukkan sifat piezoelektrik.

Piroelektrik

Beberapa kristal dielektrik terpolarisasi ketika dipanaskan atau didinginkan, sebuah fenomena yang dikenal sebagai pyroelectricity.Misalnya, salah satu ujung sampel piroelektrik menjadi bermuatan negatif saat dipanaskan, sedangkan ujung lainnya bermuatan positif. Dan saat didinginkan, ujung yang bermuatan negatif saat dipanaskan akan menjadi bermuatan positif saat didinginkan. Jelas, fenomena ini terkait dengan perubahan polarisasi awal suatu zat dengan perubahan suhunya.

Setiap piroelektrik memiliki sifat piezoelektrik, tetapi tidak setiap piezoelektrik adalah piroelektrik. Beberapa piroelektrik memiliki sifat feroelektrik, yaitu mampu melakukan polarisasi spontan.

Perpindahan listrik

Pada batas dua media dengan nilai konstanta dielektrik yang berbeda, kekuatan medan elektrostatik E berubah tajam di tempat perubahan tajam dalam ε.

Untuk menyederhanakan perhitungan dalam elektrostatika, vektor perpindahan listrik atau induksi listrik D diperkenalkan.

Karena E1ε1 = E2ε2, maka E1ε1ε0 = E2ε2ε0, yang artinya:

Yaitu, selama transisi dari satu lingkungan ke lingkungan lain, vektor perpindahan listrik tetap tidak berubah, yaitu induksi listrik. Ini jelas ditunjukkan pada gambar:

Untuk muatan titik dalam ruang hampa, vektor perpindahan listriknya adalah:

Seperti fluks magnet untuk medan magnet, elektrostatis menggunakan fluks vektor perpindahan listrik.

Jadi, untuk medan elektrostatik yang seragam, ketika garis vektor perpindahan listrik D melintasi daerah S pada sudut α ke normal, kita dapat menulis:

Teorema Ostrogradsky-Gauss untuk vektor E memungkinkan kita memperoleh teorema yang sesuai untuk vektor D.

Jadi, teorema Ostrogradsky-Gauss untuk vektor perpindahan listrik D terdengar seperti ini:

Fluks vektor D melalui permukaan tertutup ditentukan hanya oleh muatan bebas, bukan oleh semua muatan di dalam volume yang dibatasi oleh permukaan tersebut.

Sebagai contoh, kita dapat mempertimbangkan masalah dengan dua dielektrik yang diperluas tak terhingga dengan ε yang berbeda dan dengan antarmuka antara dua media yang ditembus oleh medan eksternal E.

Jika ε2> ε1, maka dengan memperhitungkan bahwa E1n / E2n = ε2 / ε1 dan E1t = E2t, karena hanya komponen normal vektor E yang berubah, hanya arah vektor E yang berubah.

Kami memperoleh hukum pembiasan intensitas vektor E.

Hukum refraksi untuk vektor D mirip dengan D = εε0E dan ini diilustrasikan pada gambar: