विद्युत क्षेत्रात डायलेक्ट्रिक्स

मानवजातीला ज्ञात असलेले सर्व पदार्थ वेगवेगळ्या प्रमाणात विद्युत प्रवाह चालविण्यास सक्षम आहेत: काही विद्युत प्रवाह चांगले चालवतात, इतर वाईट, तर काही क्वचितच ते चालवतात. या क्षमतेनुसार, पदार्थ तीन मुख्य वर्गांमध्ये विभागले गेले आहेत:

• डायलेक्ट्रिक्स;

• सेमीकंडक्टर;

• कंडक्टर.

आदर्श डायलेक्ट्रिकमध्ये महत्त्वपूर्ण अंतरांवर जाण्यास सक्षम कोणतेही शुल्क नसतात, म्हणजेच, आदर्श डायलेक्ट्रिकमध्ये कोणतेही विनामूल्य शुल्क नसते. तथापि, बाह्य इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्डमध्ये ठेवल्यावर, डायलेक्ट्रिक त्यावर प्रतिक्रिया देते. डायलेक्ट्रिक ध्रुवीकरण होते, म्हणजेच, विद्युत क्षेत्राच्या कृती अंतर्गत, डायलेक्ट्रिकमधील शुल्क विस्थापित केले जातात. हा गुणधर्म, डायलेक्ट्रिकची ध्रुवीकरण करण्याची क्षमता, डायलेक्ट्रिक्सचा मूलभूत गुणधर्म आहे.

अशा प्रकारे, डायलेक्ट्रिक्सच्या ध्रुवीकरणामध्ये ध्रुवीकरणाच्या तीन घटकांचा समावेश होतो:

• इलेक्ट्रॉनिक;

• जोना;

• द्विध्रुव (भिमुखता).

ध्रुवीकरणामध्ये, इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्डच्या कृती अंतर्गत शुल्क विस्थापित केले जातात. परिणामी, प्रत्येक अणू किंवा प्रत्येक रेणू एक विद्युत क्षण P तयार करतो.

डायलेक्ट्रिकच्या आत असलेल्या द्विध्रुवांच्या शुल्काची परस्पर भरपाई केली जाते, परंतु विद्युत क्षेत्राचा स्त्रोत म्हणून काम करणार्‍या इलेक्ट्रोड्सच्या समीप असलेल्या बाह्य पृष्ठभागांवर, पृष्ठभागाशी संबंधित शुल्के दिसतात ज्यात संबंधित इलेक्ट्रोडच्या चार्जच्या विरुद्ध चिन्हे असतात.

संबंधित शुल्क E' चे इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्ड नेहमी बाह्य इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्ड E0 विरुद्ध निर्देशित केले जाते. असे दिसून आले की डायलेक्ट्रिकच्या आत E = E0 — E 'एवढे विद्युत क्षेत्र आहे.

समांतर पाईपच्या स्वरूपात डायलेक्ट्रिकने बनवलेले शरीर E0 शक्तीच्या इलेक्ट्रोस्टॅटिक क्षेत्रात ठेवल्यास, त्याचा विद्युत क्षण या सूत्राद्वारे मोजला जाऊ शकतो: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, जेथे σ' आहे संबंधित शुल्काची पृष्ठभागाची घनता, आणि φ हा S क्षेत्रफळाच्या चेहऱ्याच्या पृष्ठभागाच्या पृष्ठभागामधील कोन आहे.

याव्यतिरिक्त, n — डायलेक्ट्रिकच्या प्रति युनिट व्हॉल्यूमच्या रेणूंची एकाग्रता आणि P1 — एका रेणूचा विद्युत क्षण जाणून घेतल्यास, आम्ही ध्रुवीकरण व्हेक्टरचे मूल्य, म्हणजे, डायलेक्ट्रिकच्या प्रति युनिट व्हॉल्यूमचे विद्युत क्षण मोजू शकतो.

आता समांतर ध्रुवीकरण V = SlCos φ ची मात्रा बदलून, असा निष्कर्ष काढणे सोपे आहे की ध्रुवीकरण शुल्काची पृष्ठभागाची घनता ही पृष्ठभागावरील दिलेल्या बिंदूवर ध्रुवीकरण वेक्टरच्या सामान्य घटकाच्या संख्यात्मकदृष्ट्या समान आहे. तार्किक परिणाम असा आहे की डायलेक्ट्रिकमध्ये प्रेरित इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्ड E' लागू केलेल्या बाह्य इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्ड E च्या सामान्य घटकावर परिणाम करते.

व्होल्टेज, ध्रुवीकरणक्षमता आणि व्हॅक्यूमचे डायलेक्ट्रिक स्थिरांक यांच्या दृष्टीने रेणूचा विद्युत क्षण लिहिल्यानंतर, ध्रुवीकरण वेक्टर असे लिहिले जाऊ शकते:

जेथे α ही दिलेल्या पदार्थाच्या एका रेणूची ध्रुवीकरणक्षमता आहे आणि χ = nα ही डायलेक्ट्रिक संवेदनाक्षमता आहे, एक मॅक्रोस्कोपिक प्रमाण प्रति युनिट व्हॉल्यूमचे ध्रुवीकरण दर्शवते. डायलेक्ट्रिक अतिसंवेदनशीलता ही एक परिमाण नसलेली मात्रा आहे.

अशा प्रकारे, परिणामी इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्ड E बदलते, E0 च्या तुलनेत, फक्त सामान्य घटक. फील्डचा स्पर्शक घटक (पृष्ठभागाकडे स्पर्शिकपणे निर्देशित केलेला) बदलत नाही. परिणामी, वेक्टर स्वरूपात, परिणामी फील्ड ताकदीचे मूल्य लिहिले जाऊ शकते:

डायलेक्ट्रिकमध्ये परिणामी इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्डच्या सामर्थ्याचे मूल्य ε च्या डायलेक्ट्रिक स्थिरांकाने भागलेल्या बाह्य इलेक्ट्रोस्टॅटिक क्षेत्राच्या सामर्थ्याइतके असते:

मध्यम ε = 1 + χ चे डायलेक्ट्रिक स्थिरांक हे डायलेक्ट्रिकचे मुख्य वैशिष्ट्य आहे आणि त्याचे विद्युत गुणधर्म दर्शवते. या वैशिष्ट्याचा भौतिक अर्थ असा आहे की दिलेल्या डायलेक्ट्रिक माध्यमातील फील्ड सामर्थ्य ई व्हॅक्यूममधील शक्ती E0 पेक्षा किती पटीने लहान आहे हे दर्शवते:

एका माध्यमातून दुस-या माध्यमाकडे जाताना, इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्डची ताकद झपाट्याने बदलते आणि डायलेक्ट्रिक स्थिरांक असलेल्या माध्यमातील डायलेक्ट्रिक बॉलच्या त्रिज्यावरील फील्ड सामर्थ्याच्या अवलंबनाचा आलेख बॉलच्या डायलेक्ट्रिक स्थिरांकापेक्षा ε2 भिन्न असतो. ε1 हे प्रतिबिंबित करते:

फेरोइलेक्ट्रिक्स

1920 हे उत्स्फूर्त ध्रुवीकरणाच्या घटनेच्या शोधाचे वर्ष होते. या घटनेला अतिसंवेदनशील पदार्थांच्या गटाला फेरोइलेक्ट्रिक्स किंवा फेरोइलेक्ट्रिक्स म्हणतात. फेरोइलेक्ट्रिक्स गुणधर्मांच्या अॅनिसोट्रॉपीद्वारे दर्शविले जातात या वस्तुस्थितीमुळे ही घटना घडते, ज्यामध्ये फेरोइलेक्ट्रिक घटना केवळ क्रिस्टल अक्षांपैकी एका बाजूने पाहिली जाऊ शकते. आयसोट्रॉपिक डायलेक्ट्रिक्समध्ये, सर्व रेणू एकाच प्रकारे ध्रुवीकरण केले जातात.एनिसोट्रॉपिकसाठी — वेगवेगळ्या दिशांमध्ये, ध्रुवीकरण वेक्टर वेगवेगळ्या दिशेने असतात.

फेरोइलेक्ट्रिक्स विशिष्ट तापमान श्रेणीतील डायलेक्ट्रिक स्थिरांक ε च्या उच्च मूल्यांद्वारे ओळखले जातात:

या प्रकरणात, ε चे मूल्य नमुन्याला लागू केलेले बाह्य इलेक्ट्रोस्टॅटिक क्षेत्र E आणि नमुन्याचा इतिहास या दोन्हींवर अवलंबून असते. येथे डायलेक्ट्रिक स्थिरांक आणि विद्युत क्षण नॉनलाइनरपणे E बलावर अवलंबून असतात, म्हणून फेरोइलेक्ट्रिक्स नॉनलाइनर डायलेक्ट्रिक्सशी संबंधित असतात.

फेरोइलेक्ट्रिक्स क्युरी पॉइंटद्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहेत, म्हणजे, एका विशिष्ट तापमानापासून आणि उच्च तापमानापासून, फेरोइलेक्ट्रिक प्रभाव अदृश्य होतो. या प्रकरणात, दुसऱ्या क्रमाचे फेज संक्रमण होते, उदाहरणार्थ, बेरियम टायटेनेटसाठी, क्युरी पॉइंटचे तापमान + 133 ° से, रोशेल मीठ -18 ° C ते + 24 ° C, लिथियम निओबेटसाठी + 1210 ° से.

डायलेक्ट्रिक्स अरेखीय ध्रुवीकृत असल्याने, डायलेक्ट्रिक हिस्टेरेसिस येथे घडते. आलेखाच्या «a» बिंदूवर संपृक्तता येते. Ec — जबरदस्ती बल, Pc — अवशिष्ट ध्रुवीकरण. ध्रुवीकरण वक्र हिस्टेरेसिस लूप म्हणतात.

संभाव्य उर्जेच्या किमानतेच्या प्रवृत्तीमुळे, तसेच त्यांच्या संरचनेत अंतर्भूत दोषांमुळे, फेरोइलेक्ट्रिक्स आंतरिकरित्या डोमेनमध्ये मोडतात. डोमेनचे ध्रुवीकरण दिशानिर्देश भिन्न आहेत आणि बाह्य क्षेत्राच्या अनुपस्थितीत त्यांचा एकूण द्विध्रुवीय क्षण जवळजवळ शून्य आहे.

बाह्य फील्ड E च्या कृती अंतर्गत, डोमेनच्या सीमा बदलल्या जातात आणि फील्डच्या संदर्भात ध्रुवीकरण केलेले काही प्रदेश क्षेत्र E च्या दिशेने डोमेनच्या ध्रुवीकरणास हातभार लावतात.

अशा संरचनेचे ज्वलंत उदाहरण म्हणजे BaTiO3 चे टेट्रागोनल बदल.

पुरेसे मजबूत फील्ड E मध्ये, क्रिस्टल एकल-डोमेन बनते आणि बाह्य क्षेत्र बंद केल्यानंतर, ध्रुवीकरण राहते (हे अवशिष्ट ध्रुवीकरण पीसी आहे).

विरुद्ध चिन्हासह क्षेत्रांचे प्रमाण समान करण्यासाठी, नमुन्यावर बाह्य इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्ड Ec, एक जबरदस्ती फील्ड, उलट दिशेने लागू करणे आवश्यक आहे.

इलेक्ट्रिशियन

डायलेक्ट्रिक्समध्ये, स्थायी चुंबकांचे विद्युत अॅनालॉग्स आहेत - इलेक्ट्रोड. हे असे विशेष डायलेक्ट्रिक्स आहेत जे बाह्य विद्युत क्षेत्र बंद केल्यानंतरही दीर्घकाळ ध्रुवीकरण राखण्यास सक्षम असतात.

पायझोइलेक्ट्रिक्स

निसर्गात डायलेक्ट्रिक्स आहेत जे त्यांच्यावर यांत्रिक प्रभावाने ध्रुवीकरण करतात. यांत्रिक विकृतीमुळे क्रिस्टलचे ध्रुवीकरण होते. या घटनेला पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव म्हणून ओळखले जाते. हे 1880 मध्ये जॅक आणि पियरे क्युरी बंधूंनी उघडले होते.

निष्कर्ष खालीलप्रमाणे आहे. पिझोइलेक्ट्रिक क्रिस्टलच्या पृष्ठभागावर स्थित मेटल इलेक्ट्रोड्सवर, क्रिस्टलच्या विकृतीच्या क्षणी संभाव्य फरक दिसून येईल. जर इलेक्ट्रोड वायरने बंद केले असतील तर सर्किटमध्ये विद्युत प्रवाह दिसेल.

रिव्हर्स पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव देखील शक्य आहे — क्रिस्टलचे ध्रुवीकरण त्याचे विकृतीकरण करते. जेव्हा पिझोइलेक्ट्रिक क्रिस्टलवर लागू केलेल्या इलेक्ट्रोड्सवर व्होल्टेज लागू केले जाते, तेव्हा क्रिस्टलचे यांत्रिक विकृती होते; ते लागू केलेल्या फील्ड ताकद E0 च्या प्रमाणात असेल. सध्या, विज्ञानाला 1800 पेक्षा जास्त प्रकारचे पीझोइलेक्ट्रिक्स माहित आहेत. ध्रुवीय टप्प्यातील सर्व फेरोइलेक्ट्रिक्स पिझोइलेक्ट्रिक गुणधर्म प्रदर्शित करतात.

पायरोइलेक्ट्रिक्स

काही डायलेक्ट्रिक क्रिस्टल्स गरम झाल्यावर किंवा थंड झाल्यावर ध्रुवीकरण करतात, ही घटना पायरोइलेक्ट्रिकिटी म्हणून ओळखली जाते.उदाहरणार्थ, पायरोइलेक्ट्रिक नमुन्याचे एक टोक गरम केल्यावर नकारात्मक चार्ज होते, तर दुसरे पॉझिटिव्ह चार्ज होते. आणि जेव्हा ते थंड होते, तेव्हा गरम झाल्यावर नकारात्मक चार्ज केलेला शेवट थंड झाल्यावर सकारात्मक चार्ज होईल. साहजिकच, ही घटना एखाद्या पदार्थाच्या तापमानातील बदलासह त्याच्या प्रारंभिक ध्रुवीकरणातील बदलाशी संबंधित आहे.

प्रत्येक पायरोइलेक्ट्रिक आहे पायझोइलेक्ट्रिक गुणधर्म, परंतु प्रत्येक पायझोइलेक्ट्रिक पायरोइलेक्ट्रिक नसते. काही पायरोइलेक्ट्रिक्समध्ये फेरोइलेक्ट्रिक गुणधर्म असतात, म्हणजेच ते उत्स्फूर्त ध्रुवीकरण करण्यास सक्षम असतात.

इलेक्ट्रिक विस्थापन

डायलेक्ट्रिक स्थिरांकाच्या भिन्न मूल्यांसह दोन माध्यमांच्या सीमेवर, इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्ड E ची ताकद ε मध्ये तीव्र बदलांच्या ठिकाणी तीव्रपणे बदलते.

इलेक्ट्रोस्टॅटिक्समधील गणना सुलभ करण्यासाठी, इलेक्ट्रिक विस्थापन वेक्टर किंवा इलेक्ट्रिक इंडक्शन डी सादर केला गेला.

E1ε1 = E2ε2 असल्याने, नंतर E1ε1ε0 = E2ε2ε0, म्हणजे:

म्हणजेच, एका वातावरणातून दुसर्‍या वातावरणात संक्रमणादरम्यान, विद्युत विस्थापन वेक्टर अपरिवर्तित राहतो, म्हणजेच विद्युत प्रेरण. हे आकृतीमध्ये स्पष्टपणे दर्शविले आहे:

व्हॅक्यूममधील पॉइंट चार्जसाठी, विद्युत विस्थापन वेक्टर आहे:

चुंबकीय क्षेत्रासाठी चुंबकीय प्रवाहाप्रमाणे, इलेक्ट्रोस्टॅटिक्स इलेक्ट्रिक विस्थापन वेक्टरचा प्रवाह वापरतात.

तर, एकसमान इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्डसाठी, जेव्हा विद्युत विस्थापन वेक्टर D च्या रेषा S क्षेत्राला सामान्य α कोनात ओलांडतात, तेव्हा आपण लिहू शकतो:

व्हेक्टर ई साठी ऑस्ट्रोग्राडस्की-गॉस प्रमेय आपल्याला वेक्टर डी साठी संबंधित प्रमेय प्राप्त करण्यास अनुमती देतो.

तर, इलेक्ट्रिक विस्थापन वेक्टर डी साठी ऑस्ट्रोग्राडस्की-गॉस प्रमेय असे वाटते:

कोणत्याही बंद पृष्ठभागाद्वारे व्हेक्टर डीचा प्रवाह केवळ मुक्त शुल्काद्वारे निर्धारित केला जातो, त्या पृष्ठभागाच्या सीमा असलेल्या आवाजाच्या आतील सर्व शुल्कांद्वारे नाही.

उदाहरण म्हणून, आम्ही भिन्न ε सह दोन अमर्याद विस्तारित डायलेक्ट्रिक्स आणि बाह्य क्षेत्र E द्वारे प्रवेश केलेल्या दोन माध्यमांमधील इंटरफेससह समस्या विचारात घेऊ शकतो.

जर ε2>ε1 असेल, तर E1n/E2n = ε2/ε1 आणि E1t = E2t हे लक्षात घेऊन, सदिश E चे फक्त सामान्य घटक बदलत असल्याने, फक्त वेक्टर E ची दिशा बदलते.

आम्ही वेक्टर तीव्रता E च्या अपवर्तनाचा नियम प्राप्त केला.

व्हेक्टर D साठी अपवर्तनाचा नियम D = εε0E सारखा आहे आणि हे आकृतीमध्ये स्पष्ट केले आहे: