전기장의 유전체

인류에게 알려진 모든 물질은 전류를 다양한 정도로 전도할 수 있습니다. 어떤 물질은 전류를 더 잘 전도하고, 어떤 물질은 더 나쁘고, 어떤 물질은 거의 전도하지 않습니다. 이 능력에 따라 물질은 세 가지 주요 부류로 나뉩니다.

• 유전체;

• 반도체;

• 지휘자.

이상적인 유전체에는 상당한 거리를 이동할 수 있는 전하가 없습니다. 즉, 이상적인 유전체에는 자유 전하가 없습니다. 그러나 외부 정전기장에 놓이면 유전체가 이에 반응합니다. 유전체 분극이 발생합니다. 즉, 전기장의 작용으로 유전체의 전하가 변위됩니다. 유전체의 분극 능력인 이 특성은 유전체의 기본 특성입니다.

따라서 유전체의 분극화에는 세 가지 분극화 요소가 포함됩니다.

• 전자;

• 조나;

• 쌍극자(방향).

분극에서는 정전기장의 작용으로 전하가 변위됩니다. 결과적으로 각 원자 또는 각 분자는 전기 모멘트 P를 생성합니다.

유전체 내부의 쌍극자의 전하는 서로 보상되지만 전기장의 근원이 되는 전극에 인접한 외부 표면에는 해당 전극의 전하와 부호가 반대인 표면 관련 전하가 나타난다.

관련 전하 E'의 정전기장은 항상 외부 정전기장 E0을 향합니다. 유전체 내부에는 E = E0 — E '와 같은 전기장이 있음이 밝혀졌습니다.

평행 육면체 형태의 유전체로 만들어진 몸체가 강도 E0의 정전기장에 배치되면 전기 모멘트는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다. P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, 여기서 σ'는 관련 전하의 표면 밀도, φ는 영역 S의 표면과 법선 사이의 각도입니다.

또한 n(유전체의 단위 부피당 분자 농도)과 P1(한 분자의 전기 모멘트)을 알면 분극 벡터의 값, 즉 유전체의 단위 부피당 전기 모멘트를 계산할 수 있습니다.

이제 평행 육면체 V = SlCos φ의 부피를 대입하면 분극 전하의 표면 밀도가 표면의 주어진 지점에서 분극 벡터의 법선 성분과 수치적으로 동일하다는 결론을 내리기가 쉽습니다. 논리적 결과는 유전체에 유도된 정전기장 E'가 인가된 외부 정전기장 E의 정상 성분에만 영향을 미친다는 것입니다.

전압, 분극률 및 진공의 유전 상수로 분자의 전기 모멘트를 기록한 후 분극 벡터는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

여기서 α는 주어진 물질의 한 분자의 분극률이고 χ = nα는 단위 부피당 분극을 특성화하는 거시적 양인 유전 자화율입니다. 유전 자화율은 무 차원 양입니다.

따라서 결과적인 정전기장 E는 E0에 비해 정상 성분만 변경됩니다. 필드의 접선 구성 요소(표면에 접선 방향으로 향함)는 변경되지 않습니다. 결과적으로 벡터 형식으로 결과 전계 강도의 값을 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

유전체에서 생성된 정전기장의 강도 값은 외부 정전기장의 강도를 매질의 유전 상수 ε로 나눈 값과 같습니다.

매체의 유전 상수 ε = 1 + χ는 유전체의 주요 특성이며 전기적 특성을 나타냅니다. 이 특성의 물리적 의미는 주어진 유전체 매체의 전계 강도 E가 진공에서의 강도 E0보다 몇 배 더 작은지를 보여줍니다.

한 매질에서 다른 매질로 통과할 때 정전기장의 세기가 급격히 변하고, 볼의 유전율과 다른 유전율 ε2를 갖는 매질에서 유전체 볼의 반경에 대한 전기장의 세기 의존성을 나타내는 그래프 ε1은 다음을 반영합니다.

강유전체

1920년은 자발 분극 현상이 발견된 해였습니다. 이 현상에 취약한 물질군을 강유전체 또는 강유전체라고 합니다. 이 현상은 강유전체가 특성의 이방성을 특징으로 한다는 사실 때문에 발생하며, 강유전체 현상은 결정 축 중 하나를 따라서만 관찰할 수 있습니다. 등방성 유전체에서 모든 분자는 동일한 방식으로 분극화됩니다.이방성의 경우 — 방향이 다르면 편광 벡터의 방향이 다릅니다.

강유전체는 특정 온도 범위에서 유전 상수 ε의 높은 값으로 구별됩니다.

이 경우 ε 값은 샘플에 적용된 외부 정전기장 E와 샘플의 이력에 따라 달라집니다. 여기서 유전 상수와 전기 모멘트는 힘 E에 비선형적으로 의존하므로 강유전체는 비선형 유전체에 속합니다.

강유전체는 퀴리점, 즉 일정 온도 이상부터 강유전체 효과가 사라지는 특징이 있다. 이 경우 2차 상전이가 발생합니다. 1210℃

유전체는 비선형 극성이기 때문에 유전체 히스테리시스가 여기에서 발생합니다. 그래프의 «a» 지점에서 포화가 발생합니다. Ec — 보자력, Pc — 잔류 분극. 편광 곡선을 히스테리시스 루프라고 합니다.

위치 에너지가 최소가 되는 경향과 구조에 내재된 결함으로 인해 강유전체는 내부적으로 도메인으로 나뉩니다. 도메인은 서로 다른 편광 방향을 가지며 외부 필드가 없는 경우 총 쌍극자 모멘트는 거의 0입니다.

외부 필드 E의 작용에 따라 도메인의 경계가 이동하고 필드에 대해 분극화된 일부 영역이 필드 E 방향으로 도메인의 분극화에 기여합니다.

이러한 구조의 생생한 예는 BaTiO3의 정사각형 변형입니다.

충분히 강한 필드 E에서 결정은 단일 도메인이 되고 외부 필드를 끈 후에도 편광이 유지됩니다(이것이 잔류 편광 Pc임).

부호가 반대인 영역의 부피를 같게 하기 위해서는 시료에 반대 방향으로 강제력인 외부 정전기장 Ec를 인가해야 한다.

전기기사

유전체 중에는 영구 자석-전극의 전기적 유사체가 있습니다. 외부 전기장이 꺼진 후에도 오랫동안 분극을 유지할 수있는 특수 유전체입니다.

압전

자연계에는 기계적 충격에 의해 분극화되는 유전체가 있습니다. 결정은 기계적 변형에 의해 편광됩니다. 이 현상을 압전 효과라고 합니다. 1880년 Jacques와 Pierre Curie 형제가 문을 열었습니다.

결론은 다음과 같습니다. 압전 결정의 표면에 위치한 금속 전극에서는 결정이 변형되는 순간 전위차가 발생합니다. 전극이 전선으로 닫히면 회로에 전류가 나타납니다.

역 압전 효과도 가능합니다 — 결정의 분극으로 인해 변형이 발생합니다.압전 결정에 적용된 전극에 전압이 가해지면 결정의 기계적 변형이 발생합니다. 적용된 전계 강도 E0에 비례합니다. 현재 과학은 1800가지 이상의 압전 유형을 알고 있습니다. 극성 상의 모든 강유전체는 압전 특성을 나타냅니다.

초전기

일부 유전체 결정은 가열되거나 냉각될 때 분극화되며, 이는 초전기로 알려진 현상입니다.예를 들어, 초전기 샘플의 한쪽 끝은 가열될 때 음전하를 띠고 다른 쪽 끝은 양전하를 띤다. 그리고 식으면 가열할 때 음전하를 띠던 끝이 식으면 양전하를 띠게 됩니다. 분명히 이 현상은 온도 변화에 따른 물질의 초기 분극화 변화와 관련이 있습니다.

모든 초전기에는 압전 특성, 그러나 모든 압전이 초전인 것은 아닙니다. 초전기 중 일부는 강유전체 특성을 가지고 있습니다. 즉, 자발적 분극이 가능합니다.

전기 변위

유전 상수 값이 다른 두 매체의 경계에서 정전기장 E의 강도는 ε의 급격한 변화가 있는 곳에서 급격히 변합니다.

정전기 계산을 단순화하기 위해 전기 변위 벡터 또는 전기 유도 D가 도입되었습니다.

E1ε1 = E2ε2이므로 E1ε1ε0 = E2ε2ε0이며 이는 다음을 의미합니다.

즉, 한 환경에서 다른 환경으로 전환하는 동안 전기 변위 벡터는 변경되지 않습니다. 즉, 전기 유도입니다. 이것은 그림에 명확하게 표시되어 있습니다.

진공에서 점 전하의 경우 전기 변위 벡터는 다음과 같습니다.

자기장에 대한 자기 플럭스와 마찬가지로 정전기학은 전기 변위 벡터의 플럭스를 사용합니다.

따라서 균일한 정전기장의 경우 전기 변위 벡터 D의 선이 법선에 대해 각도 α로 영역 S를 교차할 때 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

벡터 E에 대한 Ostrogradsky-Gauss 정리를 통해 벡터 D에 해당하는 정리를 얻을 수 있습니다.

따라서 전기 변위 벡터 D에 대한 Ostrogradsky-Gauss 정리는 다음과 같이 들립니다.

임의의 닫힌 표면을 통한 벡터 D의 플럭스는 해당 표면으로 둘러싸인 부피 내부의 모든 전하에 의해서가 아니라 자유 전하에 의해서만 결정됩니다.

예를 들어, ε이 서로 다른 두 개의 무한히 확장된 유전체와 외부 필드 E가 침투하는 두 매체 사이의 인터페이스가 있는 문제를 고려할 수 있습니다.

ε2> ε1이면 E1n/E2n = ε2/ε1이고 E1t = E2t임을 고려하면 벡터 E의 법선 성분만 변하므로 벡터 E의 방향만 변한다.

벡터 강도 E의 굴절 법칙을 얻었습니다.

벡터 D에 대한 굴절 법칙은 D = εε0E와 유사하며 이는 그림에 설명되어 있습니다.