Конспект лекций_ФИЗИКА_2сем (1175198), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

2.1.36 иллюстрирует механизм этих видовполяризуемости.Рис. 2.1.36. Механизм поляризуемости различных видов диэлектриковЭлектронная поляризуемость обусловлена смещением электронной оболочки атомаотносительно ядра. Ионная поляризуемость вызвана смещением заряженных ионов поотношению к другим ионам. Ориентационная (дипольная) поляризуемость возникает,когда вещество состоит из молекул, обладающих постоянными электрическими48дипольными моментами, которые могут более или менее свободно изменять своюориентацию во внешнем электрическом поле.Есть и другие виды поляризации.

Главное в поляризации – смещение зарядов вэлектростатическом поле. В результате, каждая молекула или атом образуетэлектрический момент p (рис. 2.1.37):(2.1.70)Рис. 2.1.37. Образование электрического момента p в результате поляризацииЯсно, что электрический момент p пропорционален напряженности Е – напряженностиэлектростатического поля в месте нахождения молекулы, то есть внутри вещества.К чему приводит поляризация? Рассмотрим рис.

2.1.38.Внутри диэлектрика электрические заряды диполей компенсируют друг друга. Но навнешних поверхностях диэлектрика, прилегающих к электродам, появляются зарядыпротивоположного знака (поверхностно связанные заряды).Обозначим– электростатическое поле связанных зарядов. Оно направлено всегдапротив внешнего поля. Следовательно, результирующее электростатическое полевнутри диэлектрика(2.1.71)Итак, электростатическое поле внутри диэлектрика всегда меньше внешнего поля. Восколько раз?49Рис. 2.1.38.Рассмотрим некоторые количественные соотношения.Поместим диэлектрик в виде параллелепипеда в электростатическое поле(рис.2.1.39).Рис.

2.1.39. Диэлектрик в виде параллелепипеда в электростатическое поле50Электрический момент тела,можно найти по формуле:(2.1.72)где– поверхностная плотность связанных зарядов.Введем новое понятие – вектор поляризации– электрическиймомент единичного объема.(2.1.73)где n – концентрация молекул в единице объема,– электрический момент одноймолекулы.С учетом этого обстоятельства,(2.1.74)(т.к.– объем параллелепипеда).Приравняем (2.1.72) и (2.1.74) и учтем, что– проекцияна направление– вектора нормали, тогда(2.1.75)Поверхностная плотность поляризационных зарядовсоставляющей вектора поляризации в данной точке поверхности.равнанормальнойОтсюда следует, что индуцированное в диэлектрике электростатическое поле E'будет влиять только на нормальную составляющую вектора напряженностиэлектростатического поля E .Вектор поляризации можно представить так:(2.1.76)где α – поляризуемость молекул;– диэлектрическая восприимчивость –макроскопическая безразмерная величина, характеризующая поляризацию единицыобъема.Следовательно, и у результирующего поля E изменяется, по сравнению с E 0 , тольконормальная составляющая.

Тангенциальная составляющая поля остается без изменения.51В векторной форме результирующее поле можно представить так:(2.1.77)Результирующая электростатического поля в диэлектрике равно внешнему полю,деленному на диэлектрическую проницаемость среды ε:(2.1.78)Величинахарактеризует электрические свойства диэлектрика. Физическийсмысл диэлектрической проницаемости среды ε – величина, показывающая во сколькораз электростатическое поле внутри диэлектрика меньше, чем в вакууме:(2.1.79)С учетом этого обстоятельства, при наличии диэлектрической среды мы должныпоправить все полученные нами в прошлых разделах формулы: например, теорема Гаусса:или закон Кулона:Рис.

2.1.40. График зависимости напряженности поля шара от радиуса, с учетомдиэлектрической проницаемости двух сред (и)Как видно из рисунка, напряженность поляодной средыв другуюизменяется скачком при переходе из522.1.18. Различные виды диэлектриковДо сих пор мы рассматривали диэлектрики, которые приобретают электрический моментво внешнем электростатическом поле. Но есть и другие диэлектрики, например,сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики.СегнетоэлектрикиВ 1920 г. была открыта спонтанная (самопроизвольная) поляризация. Сначала еёобнаружили у кристаллов сегнетовой соли(NaKC4H4O6·4H2O), а затем и у другихкристаллов.

Всю эту группу веществ назвали сегнетоэлектрики (или ферроэлектрики).Детальное исследование диэлектрических свойств этих веществ было проведено в 1930 –1934 гг. И.В. Курчатовым в ленинградском физическом техникуме. Все сегнетоэлектрикиобнаруживают резкую анизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могутнаблюдаться только вдоль одной из осей кристалла). У изотропных диэлектриковполяризация всех молекул одинакова, у анизотропных – поляризация, и следовательно,вектор поляризациив разных направлениях разные. В настоящее время известнонесколько сотен сегнетоэлектриков.Рассмотрим основные свойства сегнетоэлектриков:1.

Диэлектрическая проницаемость ε в некотором температурном интервале велика().2. Значение ε зависит не только от внешнего поля E0, но и от предыстории образца.3. Диэлектрическая проницаемость ε (а следовательно, и Р) – нелинейно зависит отнапряженности внешнего электростатического поля (нелинейные диэлектрики).Это свойство называется диэлектрическим гистерезисом. На рисунке 2.1.41изображена кривая поляризации сегнетоэлектрика – петля гистерезиса.Рис. 2.1.41. Петля гистерезисаЗдесь точка а – состояние насыщения.53Приэто говорит о том, что в кристаллах имеется остаточнаяполяризованность PС, чтобы ее уничтожить, необходимо приложить EС – коэрцитивнуюсилу противоположного направления.4. Наличие точки Кюри – температуры, при которой (и выше) сегнетоэлектрическиесвойства пропадают. При этой температуре происходит фазовый переход 2-го рода.(Например, титанат бария: 133º С; сегнетова соль: – 18 + 24º С; дигидрофосфат калия: –150º С; ниобат лития 1210º С).Причиной сегнетоэлектрических свойств является самопроизвольная (спонтанная)поляризация, возникающая под действием особо сильного взаимодействия междучастицами, образующими вещество.абРис.

2.1.42. Разбиение диэлектрика на доменыСтремление к минимальной потенциальной энергии и наличие дефектов структурыприводит к тому, что сегнетоэлектрик разбит на домены (рис. 2.1.42). Без внешнего поляP – электрический импульс кристалла равен нулю (рис. 2.1.42, а). Во внешнемэлектростатическом поле домены ориентируются вдоль поля (рис. 2.1.42, б).Сегнетоэлектрики используются для изготовления многих радиотехническихприборов, например, варикондов – конденсаторов с изменяемой емкостью.Среди диэлектриков есть вещества, называемые электреты – это диэлектрики,длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнегоэлектростатического поля.Электреты являются формальными аналогами постоянных магнитов, создающихвокруг себя магнитное поле.

Принципиальная возможность получения таких материаловбыла предсказана Фарадеем. Термин «электрет» был предложен Хевисайдом в 1896 годупо аналогии с английским «magnet» – постоянный магнит, а первые электреты полученыяпонским исследователем Егучи в 1922 году. Егучи охладил в сильном электрическомполе расплав карнаубского воска и канифоли. Электрическое поле сориентировалополярные молекулы, и после охлаждения материал остался в поляризованном состоянии.Для уточнения технологии такие материалы называют термоэлектретами.ПьезоэлектрикиНекоторые диэлектрики поляризуются не только под действием электростатическогополя, но и под действием механической деформации.

Это явление называетсяпьезоэлектрическим эффектом.54Явление открыто братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 году.Если на грани кристалла наложить металлические электроды (обкладки), то придеформации кристалла с помощью силыЕсли замкнуть обкладки, то потечет ток.на обкладках возникнет разность потенциалов.Продемонстрировать пьезоэффект можно рисунком 2.42.Сейчас известно более 1800 пьезокристаллов. Все сегнетоэлектрики обладаютпьезоэлектрическими свойствами.Возможен и обратный пьезоэлектрический эффект. Возникновение поляризациисопровождается механическими деформациями. Если на пьезоэлектрический кристаллподать напряжение, то возникнут механические деформации кристалла, причем,деформации будут пропорциональны приложенному электростатическому полю Е0.Рис. 2.1.43.

ПьезоэффектПироэлектрикиКроме сегнетоэлектриков, спонтанно поляризованными диэлектриками являютсяпироэлектрики (от греч. pyr – огонь). Пироэлектрики – это кристаллические диэлектрики,обладающие спонтанной электрической поляризацией во всей температурной области,вплоть до температуры плавления.В отличие от сегнетоэлектриков в пироэлектриках поляризация Р линейно зависит отвеличины внешнего электрического поля, т.е. пироэлектрики являются линейнымидиэлектриками.Пироэлектричество – появление электрических зарядов на поверхности некоторыхкристаллов при их нагревании или охлаждении.

При нагревании один конец диэлектриказаряжается положительно, а при охлаждении он же – отрицательно. Появление зарядовсвязано с изменением существующей поляризации при изменении температурыкристаллов. Типичный пироэлектрик – турмалин.Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Некоторыепироэлектрики обладают сегнетоэлектрическими свойствами. Из сказанного следует, чтопонятие «пироэлектрик» является более общим, чем «сегнетоэлектрик». Можно сказать,что сегнетоэлектрики есть пироэлектрики с реориентируемой внешним полемполяризацией.55В пироэлектриках поляризация Р линейно зависит от величины внешнегоэлектростатического поля, т.е.

пироэлектрики являются линейными диэлектриками.В качестве примеров использования различных диэлектриков можно привестиследующие:сегнетоэлектрики – электрические конденсаторы,допустимого тока, позисторы, запоминающие устройства;ограничителипредельнопьезоэлектрики – генераторы ВЧ и пошаговые моторы, микрофоны, наушники,датчики давления, частотные фильтры, пьезоэлектрические адаптеры;пироэлектрики – позисторы, детекторы ИК-излучения,инфракрасного излучения), электрооптические модуляторы.болометры (датчики2.1.19. Вектор электрического смещенияИмеем границу раздела двух сред си, так что,(рис. 2.1.44, а).абРис. 2.1.44Как мы уже показали, в соответствии с (2.1.79),или,т.е., напряженность электростатического поля E изменяется скачком при переходе изодной среды в другую.56Главная задача электростатики – расчет электрических полей, то естьв различныхэлектрических аппаратах, кабелях, конденсаторах, и т.д.

Эти расчеты сами по себе непросты, да еще наличие разного сорта диэлектриков и проводников еще более усложняютзадачу.Для упрощения расчетов была введена новая векторная величина – векторэлектрического смещения (электрическая индукция):(2.1.80)Из предыдущих рассуждений, тогда, отсюда(2.1.81)Таким образом, векторостается неизменным при переходе из одной среды вдругую (рис.

Характеристики

Список файлов учебной работы