Własności elektryczne materii

Dielektryki Dielektryk (izolator) – materiał nie przewodzący prądu elektrycznego dokładniej – przewodzi prąd o 1015 – 1020 razy słabiej od przewodników. + - dielektryk stała dielektryczna

Pojemność kondensatora Jeśli okładki kondensatora są odłączone od źródła napięcia Q = const napięcie na kondensatorze zmaleje ε razy Dla kondensatora płaskiego natężenie pola elektrycznego maleje ε razy Dlaczego?

Na powierzchni dielektryka muszą wystąpić ładunki wytwarzające pole elektryczne w przeciwnym kierunku – ładunki polaryzacyjne (związane) + - - + natężenie pola w pustym kondensatorze gęstość powierzchniowa ładunków swobodnych gęstość powierzchniowa ładunków polaryzacyjnych przewodnik (ładunki swobodne) podatność elektryczna dielektryka

Przyczyną pojawienia się ładunku polaryzacyjnego na powierzchni dielektryka jest zjawisko polaryzacji dielektryka. Wektor polaryzacji elektryczny moment dipolowy Wektor polaryzacji – moment dipolowy przypadający na jednostkę objętości

Dipol elektryczny – układ dwóch ładunków punktowych różnoimiennych, q1 = q2 =q Wartość momentu dipolowego takiego układu Moment dipolowy rozkładu ładunków Jeżeli wektory momentów dipolowych wszystkich atomów (cząsteczek) są jednakowe, to wektor polaryzacji liczba atomów (cząsteczek) w jednostce objętości - koncentracja

Wewnątrz dielektryka sumaryczny ładunek Q = 0 Wewnątrz dielektryka sumaryczny ładunek Q = 0. W każdej warstwie przypowierzchniowej wartość ładunku + - Bezwzględna wartość gęstości ładunku polaryzacji = polaryzacji gdy wektory są zgodne

Trzy wektory pola elektrycznego wektor indukcji elektrycznej

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Wektor indukcji elektrycznej wiąże się z ładunkiem swobodnym – linie wektora zaczynają się i kończą na ładunkach swobodnych Wektor polaryzacji wiąże się wyłącznie z ładunkiem polaryzacyjnym. Linie wektora zaczynają się i kończą na ładunkach polaryzacyjnych. Zwrot wektora - od ładunku ujemnego do dodatniego (jak w każdym dipolu) Wektor związany jest z całkowitym ładunkiem – swobodnym i polaryzacyjnym.

+ - + molekuła niesymetryczna – polarna, trwały moment dipolowy  0 molekuła symetryczna -niepolarna, trwały moment dipolowy = 0

Dielektryki niepolarne w jednorodnym polu elektrycznym – polaryzacja elektronowa Rozważmy symetryczną cząsteczkę wodoru H2.  H H Moment dipolowy = 0

Umieśćmy atom wodoru w polu elektrycznym działanie pola zewnętrznego na elektron oddziaływanie między protonem i elektronem indukowany moment dipolowy

Ogólnie indukowany moment dipolowy atomu (cząsteczki) współczynnik  - polaryzowalność atomu (cząsteczki) Ponieważ Podatność elektryczna dielektryka niepolarnego a stała dielektryczna

Dielektryki polarne w jednorodnym polu elektrycznym – polaryzacja orientacyjna Zewnętrzne pole elektryczne powoduje takie ustawienie cząsteczek dielektryka, aby ich moment dipolowy był zgodny z kierunkiem pola elektrycznego. Ruch cieplny cząsteczek przeciwdziała takiemu ustawieniu. Można wykazać, że wektor polaryzacji dielektryka polarnego P kB = stała Boltzmanna E

Ferroelektryki Poniżej temperatury Curie struktura ulega deformacji – jony Ba2+ i Ti4+ przesuwają się względem jonów O2- - powstaje moment dipolowy Charakteryzują się: dużą przenikalnością dielektryczną, np. tytanian baru (BaTiO3) – ε = 5900 a nawet do 10000 nieliniową zależnością polaryzacji od przyłożonego pola elektrycznego wartości polaryzacji (a więc i D) zależą od historii dielektryka, przy cyklicznych zmianach pola P(E) ma kształt pętli histerezy

Polaryzacja początkowa = 0. wzrasta pole E - polaryzacja rośnie 1 maleje pole E – polaryzacja maleje 2 2 pole E = 0 – P = Ps polaryzacja spontaniczna 1 3 pole E < 0 P = 0 dla E = Ec pole koercji dalsza zmiana pola E - P zmienia się tak jak na krzywej 3

Własności ferroelektryczne kryształów obserwuje się w pewnych temperaturach – zanikają powyżej tzw. temperatury Curie W ferroelektrykach istnieją spontanicznie spolaryzowane obszary – domeny. Po wprowadzeniu ferroelektryka w pole elektryczne następuje zmiana orientacji momentów dipolowych domen i kryształ uzyskuje trwałą polaryzację.

Elektrety Dielektryki wykazujące trwałą polaryzację elektryczną – odpowiednik trwałych magnesów. Można je wytworzyć z dielektryków polarnych, których cząsteczki mają duży moment dipolowy. Dielektryk ogrzany do wysokiej temperatury, nawet powyżej topnienia, umieszcza się w silnym polu elektrycznym i ochładza. Polaryzacja istniejąca w wysokiej temperaturze zostaje w dielektryku utrwalona, nawet po wyłączeniu pola. Elektrety wykorzystuje się np. w mikrofonach elektretowych. Wewnętrzna struktura elektretu

Piezoelektryki Zjawisko piezoelektryczne – powstawanie polaryzacji pod wpływem odkształceń mechanicznych. Odwrotne zjawisko piezoelektryczne – kryształy zmieniają swoje rozmiary pod wpływem pola elektrycznego. + + + - - - - - + - + - - - + + + + Odkształcenie mechaniczne, całkowity moment dipolowy  0 Całkowity moment dipolowy = 0

Przyłożenie zewnętrznego pola powoduje odkształcenie cząsteczek – wydłużenie lub skrócenie kryształu w kierunku pola. Przyłożenie zmiennego napięcia powoduje pobudzenie piezoelektryka do drgań mechanicznych. Amplituda tych drgań jest maksymalna (rezonans) gdy częstość zmian napięcia = częstości drgań własnych kryształu. Zastosowania: wytwarzanie ultradźwięków, stabilizacja częstości drgań w układach elektronicznych