Диэлектрлік ортадағы электростатикалық өріс.

Диэлектрик, құрамына зарядталған бөлшектер – теріс электрондар және оң ядро енетін молекулалардан тұрады. Жалпы алғанда молекулалар бейтарап болғанымен, молекуладағы оң және теріс зарядтардың «ауырлық» центрлері бір-біріне қатысты ығысуының нәтижесінде молекулада p дипольдік момент пайда болуы мүмкін.

1. Полярлы емес диэлектриктер – сыртқы электр өрісінің жоқ кезінде құрылымы симметриялы болып келетін және p дипольдік моментке ие емес молекулалардан тұратын заттар. Молекулалар дипольдік моментті сыртқы электр өрісінде иеленеді (серпімді диполь). Полярлы емес диэлектриктерге Н2, О2, N2 және басқалар жатады.

2. Полярлы диэлектриктер – сыртқы электр өрісінсіз ақ дипольдік моментке ие молекулалардан тұратын заттар. Молекуланың оң және теріс зарядтарының «ауырлық» центрлері бір- біріне дәл келмейді, демек молекула сыртқы өрістің жоқтығына қарамастан диполь болып табылады (қатаң диполь). Сыртқы электр өрісінің бар кезінде дипольдер өріс бойымен бұрылады да, диэлектрик нөлден өзгеше қорытқы моментті иеленеді. Полярлы диэлектриктерге H2O, NH3, CO және т.б. жатады.

3. Иондық торлары бар кристалдық диэлектриктер – ішкі құрылымы әртүрлі таңбалы иондардың дұрыс кезектесе отырып түзейтін кеңістік торы

болып келетін заттар. Мұндай кристалдардың молекулаларын біріне-бірі енген екі иондық торламшалар жүйесі деп қарастыруға болады. Сыртқы электр өрісінің әсерінен дипольдік моменттердің пайда болуына әкелетін торламшалардың бір- біріне қатысты ығысуы байқалады.

Диэлектриктер поляризациясы деп сыртқы электр өрісінің әсерінен жүретін дипольдердің бағдарлану процесін немесе өріс бойымен бағдарланған дипольдердің пайда болуын атайды.

Диэлектриктердің үш тобына сәйкес поляризацияның үш түрі болады:

Ығысудың электрондық поляризациясы

Дипольдік, немесе, бағдарлы поляризация

Иондық поляризация

Поляризацияның нәтижесінде диэлектрикте байланысқан деп аталатын зарядтар пайда болады.

Диэлектриктің поляризациясын сандық сипаттау үшін колданылатын, поляризациялану деп аталатын, векторлық шама диэлектриктің көлем бірлігінің электр моменті болып анықталады:

r 1 r.

P = å piV i

Поляризациялану байланысқан зарядтардың  ¢беттік тығыздығымен

Pn =  ¢

қатынастығы арқылы байланысады.

r

Байланысқан зарядтардың туындауы сыртқы

r

E 0 өріске қарсы бағытталған

және оны әлсірететін қосымша E ¢

Диэлектриктің ішіндегі қорытқы өріс

электр өрісінің пайда болуына әкеледі.

E = E 0

- E ¢= E 0

r

-  ¢= E - P.

 0  0

r

Көптеген диэлектриктер үшін P поляризациялануы диэлектрик ішіндегі E

өріс кернеулігіне сызықтық тәуелді, сондықтан, егер диэлектрик изотропты болса, онда

r r

P =  0 E,

мұндағы  - заттың диэлектрлік қабылдағыштығы. Сонда диэлектриктің ішіндегі өріс

E = E 0

- E

немесе

E = E 0

1 + 

= E 0,



мұнда  - ортаның диэлектрлік өтімділігі.

Екі диэлектриктің шекаралық бетінде кернеулік сызықтары үзіледі, себебі

E

r векторы секірмелі өзгеріске ұшырайды. Сондықтан біртекті емес

E

D

диэлектриктердегі электр өрісін сипаттау үшін r кернеулік векторынан көрі r

электр ығысу векторын қолданған едәуір ыңғайлы.

r r r

D =  0 E + P

E

P

Изотропты диэлектрикте r және r векторлары өзара параллель,

E

D

сондықтан r және r векторларыда өзара параллель болады

r r r r r

D =  0 E +  0 E = (1 + )  0 E =  0 E.

E

Анизотропты диэлектриктерде r

және r

P

r

векторларының бағыттары,

r

жалпы алғанда, бірдей емес, сондықтан E

болады.

және D

бағыттарыда әр түрлі

Электр ығысу векторы үшін Гаусс теоремасы: диэлектрик ішіндегі тұйық бет арқылы өтетін электр ығысу векторының ағыны сол бетпен қоршалған еркін электр зарядтарының алгебралық қосындысына тең:

 

k

ND = ò Dn dS = å qi.

S

Диэлектрлік өтімділіктері  1 және  2

i =1

 

екі изотропты диэлектриктің

шекарасында келесі шарттар орындалады:

 

E 1

 

D 2

D 1

 

= E 2,

 

= tg 2

tg 1

En 1 En 2

=  2

 1

= tg 2

tg 1

, Dn 1

=  2,

 1

= Dn 2,

D

мұндағы  1 және  2 - шекараға жүргізілген n нормаль мен 1 және 2

E

диэлектрлік орталардағы r

сәйкес.

(немесе r) векторының арасындағы бұрыштарға

Сегнетоэлектриктер – температураның белгілі аралығында спонтандық (өздігінен пайда болатын) поляризациялануға ие болатын, яғни сыртқы электр өрісінсіз ақ поляризацияланатын диэлектриктер. Сегнетоэлектриктерге сегнет тұзы (NaKC4H4O6∙4H2O), барий титанаты (BaTiO3), калий фосфаты (KH2PO4) жатады.

Сегнетоэлектриктердің негізгі қасиеттері:

1.

P

 диэлектрлік өтімділігі өте үлкен мәндерге жете алады (104 –не дейін);

2.

E

 диэлектрлік өтімділігі өрістің r

r

кернеулігіне тәуелді, яғни r

поляризациялану векторы мен E

емес функция;

3. диэлектрлік гистерезис;

өріс кернеулігі арасындағы байланыс сызықты

 

 

4. сегнетоэлектрик өзінің ерекше қасиеттерінен айырылуына әкелетін сипатты температураның (Кюри нүктесі) бар болуы.

Кейбір кристалдарда поляризациялану сыртқы электр өрісінсіз де пайда болады, егер кристалл механикалық деформацияға ұшыраса. Бұл құбылыс тура пьезоэлектрлік эффекті деп аталады. Тура пьезоэлектрлік эффектімен қатар кері пьезоэффекті де болады: пьезоэлектриктегі поляризацияның пайда болуы механикалық деформацияларды тудырады.