عوازل في مجال كهربائي

جميع المواد المعروفة للبشرية قادرة على توصيل التيار الكهربائي بدرجات متفاوتة: بعضها يعمل بشكل أفضل ، والبعض الآخر أسوأ ، والبعض الآخر بالكاد يوصّله على الإطلاق. وفقًا لهذه القدرة ، يتم تقسيم المواد إلى ثلاث فئات رئيسية:

• عوازل

• أشباه الموصلات.

• الموصلات.

لا يحتوي العازل المثالي على أي شحنات قادرة على التحرك عبر مسافات كبيرة ، أي أنه لا توجد شحنات مجانية في عازل مثالي. ومع ذلك ، عند وضعها في مجال إلكتروستاتيكي خارجي ، يتفاعل العازل معها. يحدث الاستقطاب العازل ، أي تحت تأثير المجال الكهربائي ، يتم إزاحة الشحنات في العازل. هذه الخاصية ، قدرة العازل على الاستقطاب ، هي الخاصية الأساسية للعوازل الكهربائية.

وبالتالي ، فإن استقطاب العوازل الكهربائية يشمل ثلاثة مكونات للاستقطاب:

• الإلكترونية ؛

• جونا.

• ثنائي القطب (الاتجاه).

في الاستقطاب ، يتم إزاحة الشحنات تحت تأثير مجال إلكتروستاتيكي. نتيجة لذلك ، تخلق كل ذرة أو كل جزيء لحظة كهربائية P.

يتم تعويض شحنات ثنائيات الأقطاب داخل العازل بشكل متبادل ، ولكن على الأسطح الخارجية المجاورة للأقطاب الكهربائية التي تعمل كمصدر للمجال الكهربائي ، تظهر الشحنات المتعلقة بالسطح والتي لها إشارة معاكسة لشحنة القطب المقابل.

يتم دائمًا توجيه المجال الكهروستاتيكي للشحنات المرتبطة E 'ضد المجال الكهروستاتيكي الخارجي E0. اتضح أنه يوجد داخل العازل مجال كهربائي يساوي E = E0 - E '.

إذا تم وضع جسم مصنوع من عازل على شكل خط متوازي في مجال إلكتروستاتيكي بقوة E0 ، فيمكن حساب عزمه الكهربائي بالصيغة: P = qL = σ'SL ='SlCosφ ، حيث 'هي كثافة سطح الشحنات المصاحبة ، و هي الزاوية بين سطح وجه المنطقة S والخط العمودي لها.

بالإضافة إلى ذلك ، بمعرفة n - تركيز الجزيئات لكل وحدة حجم للعزل الكهربائي و P1 - العزم الكهربائي لجزيء واحد ، يمكننا حساب قيمة متجه الاستقطاب ، أي العزم الكهربائي لكل وحدة حجم للعزل.

باستبدال حجم الخط المتوازي الآن V = SlCos φ ، من السهل استنتاج أن كثافة سطح رسوم الاستقطاب تساوي عدديًا المكون الطبيعي لمتجه الاستقطاب عند نقطة معينة على السطح. النتيجة المنطقية هي أن المجال الكهروستاتيكي المستحث في العازل الكهربائي يؤثر فقط على المكون الطبيعي للحقل الكهروستاتيكي الخارجي المطبق E.

بعد كتابة العزم الكهربائي للجزيء من حيث الجهد ، والاستقطاب ، وثابت العزل الكهربائي للفراغ ، يمكن كتابة متجه الاستقطاب على النحو التالي:

حيث α هي قابلية الاستقطاب لجزيء واحد من مادة معينة ، و = nα هي القابلية للعزل الكهربائي ، وهي كمية عيانية تميز الاستقطاب لكل وحدة حجم. القابلية للعزل الكهربائي هي كمية بلا أبعاد.

وبالتالي ، يتغير المجال الكهروستاتيكي الناتج E ، مقارنة بـ E0 ، المكون الطبيعي فقط. لا يتغير المكون المماسي للحقل (الموجه بشكل عرضي إلى السطح). نتيجة لذلك ، في شكل متجه ، يمكن كتابة قيمة شدة المجال الناتجة:

قيمة قوة المجال الكهروستاتيكي الناتج في العازل الكهربائي تساوي قوة المجال الكهروستاتيكي الخارجي مقسومة على ثابت العزل للوسيط ε:

ثابت العزل للوسط = 1 + هو السمة الرئيسية للعزل الكهربائي ويشير إلى خواصه الكهربائية. المعنى المادي لهذه الخاصية هو أنها توضح عدد المرات التي تكون فيها شدة المجال E في وسط عازل معين أصغر من القوة E0 في الفراغ:

عند المرور من وسيط إلى آخر ، تتغير قوة المجال الإلكتروستاتيكي بشكل حاد ، والرسم البياني لاعتماد شدة المجال على نصف قطر كرة عازلة في وسط به ثابت عازل ε2 يختلف عن ثابت العزل الكهربائي للكرة ε1 يعكس هذا:

الفيروكهرباء

كان عام 1920 عام اكتشاف ظاهرة الاستقطاب العفوي. تسمى مجموعة المواد المعرضة لهذه الظاهرة المواد الفيروكهربائية أو الفيروكهربائية. تحدث هذه الظاهرة بسبب حقيقة أن الفيروكهربائية تتميز بتباين الخواص ، حيث لا يمكن ملاحظة الظواهر الكهرومائية إلا على طول أحد المحاور البلورية. في العوازل الخواص الخواص ، يتم استقطاب جميع الجزيئات بنفس الطريقة.بالنسبة إلى متباين الخواص - في اتجاهات مختلفة ، تختلف نواقل الاستقطاب في الاتجاه.

تتميز الفيروكهربائية بالقيم العالية لثابت العزل في نطاق درجة حرارة معينة:

في هذه الحالة ، تعتمد قيمة ε على كل من المجال الكهروستاتيكي الخارجي E المطبق على العينة وتاريخ العينة. يعتمد ثابت العزل الكهربائي والعزم الكهربائي هنا بشكل غير خطي على القوة E ، وبالتالي تنتمي المواد الفيروكهربائية إلى العوازل غير الخطية.

تتميز الفيروكهربائية بنقطة كوري ، أي بدءًا من درجة حرارة معينة وأعلى ، يختفي التأثير الكهربي الفيروكهربائي. في هذه الحالة ، يحدث انتقال طوري من الدرجة الثانية ، على سبيل المثال ، بالنسبة إلى تيتانات الباريوم ، تكون درجة حرارة نقطة كوري + 133 درجة مئوية ، لملح روشيل من -18 درجة مئوية إلى + 24 درجة مئوية ، لنيوبات الليثيوم + 1210 درجة مئوية.

نظرًا لأن العوازل مستقطبة غير خطية ، يحدث التباطؤ العازل هنا. يحدث التشبع عند النقطة «أ» من الرسم البياني. Ec - القوة القسرية ، Pc - الاستقطاب المتبقي. يسمى منحنى الاستقطاب حلقة التخلفية.

نظرًا للاتجاه نحو الحد الأدنى من الطاقة المحتملة ، وكذلك بسبب العيوب المتأصلة في هيكلها ، يتم تقسيم المواد الفيروكهربائية داخليًا إلى مجالات. المجالات لها اتجاهات استقطاب مختلفة وفي حالة عدم وجود مجال خارجي ، فإن إجمالي عزمها ثنائي القطب يكاد يكون صفرًا.

تحت تأثير المجال الخارجي E ، يتم تغيير حدود المجالات ، وتساهم بعض المناطق المستقطبة فيما يتعلق بالمجال في استقطاب المجالات في اتجاه الحقل E.

مثال حي على مثل هذا الهيكل هو التعديل الرباعي لـ BaTiO3.

في حقل E قوي بدرجة كافية ، تصبح البلورة أحادية المجال ، وبعد إيقاف تشغيل المجال الخارجي ، يظل الاستقطاب (هذا هو الاستقطاب المتبقي Pc).

من أجل معادلة أحجام المناطق مع الإشارة المعاكسة ، من الضروري تطبيق حقل إلكتروستاتيكي خارجي على العينة ، وهو حقل قسري ، في الاتجاه المعاكس.

اختصاصي بالكهرباء

من بين العوازل ، هناك نظائر كهربائية للمغناطيس الدائم - أقطاب كهربائية. هذه عوازل خاصة قادرة على الحفاظ على الاستقطاب لفترة طويلة حتى بعد إيقاف تشغيل المجال الكهربائي الخارجي.

كهرضغطية

توجد في الطبيعة عوازل كهربائية مستقطبة بالتأثير الميكانيكي عليها. البلورة مستقطبة بالتشوه الميكانيكي. تُعرف هذه الظاهرة باسم التأثير الكهروضغطي. افتتح في عام 1880 من قبل الأخوين جاك وبيير كوري.

الاستنتاج هو التالي. في الأقطاب المعدنية الموجودة على سطح البلورة الكهروإجهادية ، سيحدث فرق جهد في لحظة تشوه البلورة. إذا تم إغلاق الأقطاب الكهربائية بسلك ، فسيظهر تيار كهربائي في الدائرة.

التأثير الكهروإجهادي العكسي ممكن أيضًا - استقطاب البلورة يؤدي إلى تشوهها ، عندما يتم تطبيق الجهد على الأقطاب الكهربائية المطبقة على البلورة الكهروضغطية ، يحدث تشوه ميكانيكي للبلورة ؛ سيكون متناسبًا مع شدة المجال المطبقة E0. في الوقت الحالي ، يعرف العلم أكثر من 1800 نوع من أنواع الكهرباء الانضغاطية. تعرض جميع المواد الكهروضوئية في المرحلة القطبية خصائص كهرضغطية.

كهربي حراري

تستقطب بعض البلورات العازلة عند تسخينها أو تبريدها ، وهي ظاهرة تُعرف بالكهرباء الحرارية.على سبيل المثال ، يصبح أحد طرفي العينة الكهروحرارية سالبًا عند تسخينه ، بينما يتم شحن الطرف الآخر إيجابيًا. وعندما يبرد ، فإن الطرف الذي تم شحنه سالبًا عند تسخينه يصبح موجب الشحنة عندما يبرد. من الواضح أن هذه الظاهرة مرتبطة بتغيير في الاستقطاب الأولي لمادة مع تغير في درجة حرارتها.

كل كهربي حراري له خصائص كهرضغطية، ولكن ليس كل كهرضغطية هو كهربي حراري. بعض المواد الكهروحرارية لها خصائص فيروكهربائية ، أي أنها قادرة على الاستقطاب التلقائي.

الإزاحة الكهربائية

عند حدود وسيطين بقيم مختلفة لثابت العزل الكهربائي ، تتغير قوة المجال الكهروستاتيكي E بشكل حاد في مكان التغيرات الحادة في ε.

لتبسيط العمليات الحسابية في الكهرباء الساكنة ، تم إدخال متجه الإزاحة الكهربائية أو الحث الكهربائي D.

بما أن E1ε1 = E2ε2 ، فإن E1ε1ε0 = E2ε2ε0 ، مما يعني:

أي أثناء الانتقال من بيئة إلى أخرى ، يظل متجه الإزاحة الكهربائية دون تغيير ، أي الحث الكهربائي. يظهر هذا بوضوح في الشكل:

بالنسبة لشحنة نقطية في الفراغ ، يكون متجه الإزاحة الكهربائية هو:

مثل التدفق المغناطيسي للمجالات المغناطيسية ، تستخدم الكهرباء الساكنة تدفق متجه الإزاحة الكهربائية.

لذلك ، بالنسبة للمجال الكهروستاتيكي المنتظم ، عندما تعبر خطوط متجه الإزاحة الكهربائية D المنطقة S بزاوية α إلى الوضع الطبيعي ، يمكننا كتابة:

تسمح لنا نظرية Ostrogradsky-Gauss للمتجه E بالحصول على النظرية المقابلة للمتجه D.

لذلك ، تبدو نظرية أوستروجرادسكي-غاوس لمتجه الإزاحة الكهربائية D كما يلي:

يتم تحديد تدفق المتجه D عبر أي سطح مغلق فقط من خلال الشحنات الحرة ، وليس بواسطة جميع الشحنات داخل الحجم الذي يحده ذلك السطح.

على سبيل المثال ، يمكننا النظر في مشكلة مع عازلين كهربائيين ممتدين بشكل لا نهائي مع اختلاف ε ومع واجهة بين وسيطين تم اختراقهما بواسطة حقل خارجي E.

إذا كانت ε2> ε1 ، مع الأخذ في الاعتبار أن E1n / E2n = ε2 / ε1 و E1t = E2t ، نظرًا لأن المكون الطبيعي للمتجه E فقط يتغير ، يتغير اتجاه المتجه E فقط.

حصلنا على قانون انكسار شدة المتجه E.

قانون الانكسار للمتجه D مشابه لقانون D = εε0E وهذا موضح في الشكل: