Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом.
Связь между Е и ∆ϕ
Электрическое поле внутри диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость среды.
При внесении изотропного диэлектрика во внешнее электрическое поле E → 0, например, в пространство между обкладками плоского конденсатора, он поляризуется (рис. 10). Внутри диэлектрика связанные заряды компенсируют друг друга. На левой грани возникает не скомпенсированный связанный отрицательный заряд с поверхностной плотностью − σ * ,, а на правой − положительный связанный заряд с поверхностной плотностью + σ * . В диэлектрике возникнет свое электрическое поле
Диэлектрическая проницаемость среды — физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды и показывающая зависимость электрической индукции от напряжённости электрического поля.
Определяется эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды).
Различают относительную и абсолютную диэлектрические проницаемости.
Относительная диэлектрическая проницаемость ε является безразмерной и показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Эта величина для воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока — около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом.
|
|
|
Абсолютная диэлектрическая проницаемость в зарубежной литературе обозначается буквой ε, в отечественной преимущественно используется сочетание 
, — электрическая постоянная. Абсолютная диэлектрическая проницаемость используется только в Международной системе единиц (СИ), в которой индукция и напряжённость электрического поля измеряются в различных единицах. В системе СГС необходимость в введении абсолютной диэлектрической проницаемости отсутствует. Абсолютная диэлектрическая постоянная (как и электрическая постоянная) имеет размерность 
.В единицах Международной системы единиц (СИ): 
.
Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость в значительной степени зависит от частоты электромагнитного поля. Это следует всегда учитывать, поскольку таблицы справочников обычно содержат данные для статического поля или малых частот вплоть до нескольких единиц кГц без указания данного факта. В то же время существуют и оптические методы получения относительной диэлектрической проницаемости по коэффициенту преломления при помощи эллипсометров и рефрактометров. Полученное оптическим методом (частота 
Гц) значение будет значительно отличаться от данных в таблицах.
|
|
|
Сегнетоэлектрики.
Некоторые кристаллические диэлектрики, твердые растворы, керамики, пленки и т. д. проявляют удивительные свойства. В определенном интервале температур такие диэлектрики обладают самопроизвольной (спонтанной) поляризацией в малых объемах вещества в отсутствие внешнего электрического поля. Такие вещества называют сегнетоэлектриками. Это название они получили, потому что такие необычные свойства впервые были обнаружены у кристаллов сегнетовой соли . В настоящее время известны несколько сотен веществ, проявляющие сегнетоэлектрические свойства. Например, титанат бария ВаTiO3, ниобат лития LiNbO3 и т. д.
Если размеры кристалла сегнетоэлектрика много больше некоторого характерного размера области спонтанной поляризации 
то он имеет доменную структуру. Доменом называют объем кристалла, который самопроизвольно поляризован в одном направлении. Обычно сегнетоэлектрик не является однородно поляризованным, а состоит из многих доменов с различным направлением их дипольного момента. В результате суммарный дипольный момент образца в отсутствии внешнего электрического поля равен нулю (рис. 11). Равновесная доменная структура соответствует минимуму свободной энергии кристалла. Вид доменной структуры реального кристалла определяется природой и характером распределения его дефектов, а также предысторией образца.
|
|
|
При внесении сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется. Его поляризация превышает поляризацию обычных диэлектриков в 
раз. Кроме того, поляризация сегнетоэлектрика зависит не только от величины напряженности электрического поля, но и от предыстории процесса поляризации образца и температуры.
Зависимость Р (поляризации) от Е(напряженности электрического поля) нелинейная. При циклическом изменении напряженности электрического поля поляризация сегнетоэлектриков характеризуется электрической петлей гистерезиса (рис. 12).
После включения поля по мере увеличения его напряженности поляризация увеличивается и описывается кривой ОА. При достижении некоторой величины напряженности поля ЕS поляризация достигает насыщения (линия АБ). При уменьшении напряженности поля после достижения точки А поляризация убывает по линии АВ, т. е. при обращении напряженности поля в нуль поляризация не исчезает, а имеет некоторое значение, называемое остаточной поляризацией Ро (отрезок ОВ). Поляризация исчезает только под действием поля, направленного противоположно первоначальному при напряженности ЕС, называемой коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении напряженности поля опять наступает насыщение (точка Г, рис. 12) и при последующем ее уменьшении поляризация описывает линию ДГКА, замыкая петлю гистерезиса. Такое периодическое изменение поляризации связано с затратой энергии, которая приводит к нагреванию образца. Площадь петли гистерезиса пропорциональна количеству теплоты, выделяющейся в единице объема сегнетоэлектрика за один цикл.
|
|
|
Описанные выше свойства сегнетоэлектриков проявляются только в определенном интервале температур, характерном для данного типа вещества. Поэтому существует предельная температура ТС (точка Кюри), выше которой сегнетоэлектрические свойства исчезают. Например, для титаната бария ТС = 120 
, для ниобата лития ТС = 1210 
. Существуют вещества, имеющие несколько точек Кюри. Например, сегнетова соль имеет две точки Кюри: нижнюю ТС = −18 и верхнюю − ТС = 24 . Объясняется это наличием ряда кристаллических модификаций сегнетоэлектрического кристалла. В точке Кюри происходят фазовые превращения вещества из одной модификации в другую.
Прямую, параллельную вектору спонтанной поляризации сегнетоэлектрика, называют полярной осью. (Рис. 12) У сегнетовой соли полярная ось одна, у титаната бария их несколько. При температуре ниже точки Кюри сегнетоэлектрики являются пироэлектриками, но отличаются от них тем, что направление спонтанной поляризации в образцах может быть изменено на противоположное в относительно слабых полях, чего не наблюдается у пироэлектриков, даже в сильных полях.
Диэлектрическая проницаемость ε и восприимчивость æ сегнетоэлектриков зависит не только от природы кристалла, но и от температуры, напряженности внешнего электрического поля и предистории состояния его поляризации.
Величина спонтанной поляризации РS сильно зависит от температуры в области фазового перехода и в самой точке Кюри исчезает либо скачком (фазовый переход I рода, например, в титанате бария), либо постепенно (фазовый переход II рода, например, в сегнетовой соли). Температурная зависимость поляризованности Р сегнетоэлектрика от температуры Т во внешнем электрическом поле Е описывается законом Кюри-Вейсса:
где β = сonst> 0.
Закон Кюри−Вейсса выполняется в области температур выше ТС(температуры Кюри). При приближении Т→ ТС поляризация неограниченно возрастает. Ниже ТС появляется спонтанная поляризация.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 520; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!