Характеристики электрического поля в диэлектрике

Поместим диэлектрик между пластин заряженного плоского конденсатора, напряженность поля которого и поверхностная плотность зарядов . Диэлектрик поляризуется – все дипольные моменты молекул выстраиваются преимущественно вдоль поля .

Поляризация диэлектрика сопровождается появлением на его противоположных гранях некомпенсированных связанных зарядов с поверхностной плотностью , которые и создают собственное электрическое поле диэлектрика с напряженностью (Рис.9).

Напряженность результирующего поля в результате суперпозиции полей будет равна:

. (9.28)

По теореме Гаусса рассчитаем напряженность поля связанных зарядов и подставим найденную величину в уравнение (9.28), которое принимает вид:

. (9.29) Запишем выражение для вектора поляризации (уравнение 9.25) и преобразуем его:

или . Сравнив два последних уравнения, получаем:

(9.30)

Преобразуем уравнение (9.29), используя уравнения (9.27) и (9.30) получим:

, (9.31)

где - диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Из уравнения (9.31) получаем:

. (9.32)

Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз напряженность поля в среде меньше, чем в вакууме (для вакуума ).

Пьезоэлектрики. Сегнетоэлектрики

Диэлектрики обычно используются как изоляционные материалы. Однако возможно и другое их применение из-за наличия у диэлектриков необычных свойств.

Пьезоэлектрики. В этих диэлектриках деформация сопровождается их поляризацией и, наоборот, поляризация приводит к их деформации. Причем смена знака деформации (растяжение заменяется сжатием) приводит к смене знака поляризации.

К пьезоэлектрикам относятся кварц, сегнетовая соль, титанат бария и др. Они нашли широкое применение в электроакустических приборах для преобразования механических колебаний (звуковых, ультразвуковых) в электрические и наоборот.

Сегнетоэлектрики. Отметим ряд необычных свойств сегнетоэлектриков.В этих диэлектриках между молекулами устанавливается такое взаимодействие, которое приводит к параллельной ориентации дипольных моментов молекул в микроскопических областях, называемых доменами. В различных доменах направление дипольных моментов разное в силу хаотического теплового движения молекул. Поэтому в отсутствие внешнего электрического поля вектор поляризации сегнетоэлектрика равен нулю (Рис.10).

- В присутствии внешнего поля происходит поляризация сегнетоэлектрика – дипольные моменты отдельных моментов устанавливаются вдоль поля. Причем зависимость вектора поляризации от модуля напряженности

электрического поля нелинейная (Рис.11).

Это связано с тем, что поляризация сопровождается вначале ростом доменов с выгодной ориентацией дипольных моментов молекул относительно электрического поля (для них угол между векторами наименьший). В итоге образец становится однодоменным (состояние 1). Затем происходит поворот вектора , он устанавливается вдоль электрического поля. Образец становится поляризованным до насыщения (состояние 2) (Рис.12).

- Для сегнетоэлектриков характерен гистерезис – явление несовпадения ветвей прямого и обратного процесса. Если после достижения насыщения уменьшать напряженность электрического поля, то изменение модуля вектора поляризации будет отставать от изменения модуля . При значении сегнетоэлектрик остается поляризованным. Значение называется остаточной поляризованностью. Чтобы убрать остаточную поляризованность необходимо приложить внешнее поле противоположного направления. Значение напряженности при котором поляризация сегнетоэлектрика исчезает, называется коэрцитивной силой. Если внешнее поле противоположного

направления увеличивать, то поляризация вновь достигает насыщения. При циклическом изменении внешнего поля получается замкнутая фигура – петля гистерезиса ( Рис.13 ).

- Для сегнетоэлектриков существует температура, выше которой он теряет свои особые свойства и превращается в обычный диэлектрик. Эта температура Кюри -.

- Для сегнетоэлектриков диэлектрическая проницаемость может достигать нескольких тысяч, а у обычных диэлектриков она составляет лишь сотни единиц.

е.

Дата добавления: 2014-01-07