एक विद्युत क्षेत्र में डाइलेक्ट्रिक्स

मानव जाति के लिए ज्ञात सभी पदार्थ विद्युत प्रवाह को अलग-अलग डिग्री तक संचालित करने में सक्षम हैं: कुछ वर्तमान का बेहतर संचालन करते हैं, अन्य बदतर, अन्य शायद ही इसका संचालन करते हैं। इस क्षमता के अनुसार पदार्थों को तीन मुख्य वर्गों में बांटा गया है:

• अचालक;

• अर्धचालक;

• कंडक्टर।

एक आदर्श ढांकता हुआ में महत्वपूर्ण दूरी पर जाने में सक्षम कोई चार्ज नहीं होता है, अर्थात एक आदर्श ढांकता हुआ में कोई शुल्क नहीं होता है। हालांकि, जब बाहरी इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र में रखा जाता है, तो ढांकता हुआ इस पर प्रतिक्रिया करता है। ढांकता हुआ ध्रुवीकरण होता है, अर्थात, विद्युत क्षेत्र की क्रिया के तहत, ढांकता हुआ शुल्क विस्थापित हो जाता है। यह संपत्ति, एक ढांकता हुआ ध्रुवीकरण की क्षमता, ढांकता हुआ की मौलिक संपत्ति है।

इस प्रकार, डाइलेक्ट्रिक्स के ध्रुवीकरण में ध्रुवीकरण के तीन घटक शामिल हैं:

• इलेक्ट्रोनिक;

• जोना;

• डिपोल (अभिविन्यास)।

ध्रुवीकरण में, इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र की कार्रवाई के तहत शुल्क विस्थापित होते हैं। नतीजतन, प्रत्येक परमाणु या प्रत्येक अणु एक विद्युत क्षण पी बनाता है।

ढांकता हुआ के अंदर द्विध्रुव के आरोपों को पारस्परिक रूप से मुआवजा दिया जाता है, लेकिन विद्युत क्षेत्र के स्रोत के रूप में काम करने वाले इलेक्ट्रोड से सटे बाहरी सतहों पर, सतह से संबंधित शुल्क दिखाई देते हैं जो संबंधित इलेक्ट्रोड के चार्ज के विपरीत संकेत होते हैं।

संबद्ध आवेशों E' का स्थिरवैद्युत क्षेत्र सदैव बाह्य विद्युत क्षेत्र E0 के विरुद्ध निर्देशित होता है। यह पता चला है कि ढांकता हुआ के अंदर E = E0 - E 'के बराबर एक विद्युत क्षेत्र है।

यदि समानांतर चतुर्भुज के रूप में एक ढांकता हुआ शरीर E0 शक्ति के इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र में रखा जाता है, तो इसके विद्युत क्षण की गणना सूत्र द्वारा की जा सकती है: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, जहां σ' है संबद्ध आवेशों का सतही घनत्व, और φ क्षेत्रफल S के एक फलक की सतह और इसके सामान्य के बीच का कोण है।

इसके अलावा, एन - ढांकता हुआ और पी 1 की प्रति इकाई मात्रा में अणुओं की एकाग्रता - एक अणु के विद्युत क्षण को जानने के बाद, हम ध्रुवीकरण वेक्टर के मूल्य की गणना कर सकते हैं, अर्थात ढांकता हुआ प्रति इकाई मात्रा में विद्युत क्षण।

अब समांतर चतुर्भुज V = SlCos φ के आयतन को प्रतिस्थापित करते हुए, यह निष्कर्ष निकालना आसान है कि ध्रुवीकरण आवेशों की सतह का घनत्व संख्यात्मक रूप से सतह पर दिए गए बिंदु पर ध्रुवीकरण वेक्टर के सामान्य घटक के बराबर है। तार्किक परिणाम यह है कि परावैद्युत में प्रेरित विद्युतस्थैतिक क्षेत्र E' लागू बाह्य विद्युतस्थैतिक क्षेत्र E के केवल सामान्य घटक को ही प्रभावित करता है।

एक अणु के विद्युत क्षण को वोल्टेज, ध्रुवीकरण और निर्वात के ढांकता हुआ स्थिरांक के रूप में लिखने के बाद, ध्रुवीकरण वेक्टर को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

जहां α किसी दिए गए पदार्थ के एक अणु की ध्रुवीकरण क्षमता है, और χ = nα परावैद्युत संवेदनशीलता है, एक मैक्रोस्कोपिक मात्रा प्रति इकाई आयतन ध्रुवीकरण की विशेषता है। ढांकता हुआ संवेदनशीलता एक आयाम रहित मात्रा है।

इस प्रकार, परिणामी इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र E, केवल सामान्य घटक E0 की तुलना में बदलता है। क्षेत्र का स्पर्शरेखा घटक (सतह पर स्पर्शरेखीय रूप से निर्देशित) नहीं बदलता है। परिणामस्वरूप, सदिश रूप में, परिणामी क्षेत्र शक्ति का मान लिखा जा सकता है:

ढांकता हुआ में परिणामी इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र की ताकत का मूल्य बाहरी इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र की ताकत के बराबर होता है जो माध्यम के ढांकता हुआ स्थिरांक से विभाजित होता है:

माध्यम का ढांकता हुआ स्थिरांक ε = 1 + χ परावैद्युत की मुख्य विशेषता है और इसके विद्युत गुणों को इंगित करता है। इस विशेषता का भौतिक अर्थ यह है कि यह दर्शाता है कि किसी दिए गए ढांकता हुआ माध्यम में क्षेत्र की ताकत E कितनी बार एक निर्वात में E0 की ताकत से कम है:

एक माध्यम से दूसरे माध्यम में जाने पर, इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र की ताकत तेजी से बदलती है, और एक माध्यम में एक ढांकता हुआ गेंद की त्रिज्या पर क्षेत्र की ताकत की निर्भरता का ग्राफ ε2 गेंद के ढांकता हुआ स्थिरांक से भिन्न होता है ε1 इसे दर्शाता है:

फेरोइलेक्ट्रिक्स

1920 सहज ध्रुवीकरण की घटना की खोज का वर्ष था। इस घटना के लिए अतिसंवेदनशील पदार्थों के समूह को फेरोइलेक्ट्रिक्स या फेरोइलेक्ट्रिक्स कहा जाता है। घटना इस तथ्य के कारण होती है कि फेरोइलेक्ट्रिक्स को गुणों के अनिसोट्रॉपी की विशेषता होती है, जिसमें फेरोइलेक्ट्रिक घटनाएं केवल एक क्रिस्टल अक्ष के साथ देखी जा सकती हैं। आइसोट्रोपिक डाइलेक्ट्रिक्स में, सभी अणु समान रूप से ध्रुवीकृत होते हैं।अनिसोट्रोपिक के लिए - अलग-अलग दिशाओं में, ध्रुवीकरण वैक्टर अलग-अलग दिशाओं में होते हैं।

फेरोइलेक्ट्रिक्स को एक निश्चित तापमान सीमा में ढांकता हुआ निरंतर ε के उच्च मूल्यों द्वारा प्रतिष्ठित किया जाता है:

इस मामले में, ε का मान नमूने पर लागू बाहरी इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र ई और नमूने के इतिहास दोनों पर निर्भर करता है। यहां ढांकता हुआ निरंतर और विद्युत क्षण गैर-रैखिक रूप से बल ई पर निर्भर करता है, इसलिए फेरोइलेक्ट्रिक्स गैर-रैखिक डाइलेक्ट्रिक्स से संबंधित हैं।

फेरोइलेक्ट्रिक्स की विशेषता क्यूरी बिंदु है, अर्थात, एक निश्चित तापमान और उच्चतर से शुरू होकर, फेरोइलेक्ट्रिक प्रभाव गायब हो जाता है। इस मामले में, दूसरे क्रम का एक चरण संक्रमण होता है, उदाहरण के लिए, बेरियम टाइटेनेट के लिए, क्यूरी बिंदु का तापमान + 133 डिग्री सेल्सियस है, रोशेल नमक के लिए -18 डिग्री सेल्सियस से + 24 डिग्री सेल्सियस, लिथियम नाइओबेट के लिए + 1210 डिग्री सेल्सियस।

चूंकि डाइलेक्ट्रिक्स गैर-रैखिक रूप से ध्रुवीकृत होते हैं, इसलिए यहां डाइइलेक्ट्रिक हिस्टैरिसीस होता है। संतृप्ति ग्राफ के बिंदु «ए» पर होती है। Ec - ज़बरदस्त बल, Pc - अवशिष्ट ध्रुवीकरण। ध्रुवीकरण वक्र को हिस्टैरिसीस लूप कहा जाता है।

एक न्यूनतम संभावित ऊर्जा की ओर प्रवृत्ति के साथ-साथ उनकी संरचना में निहित दोषों के कारण, फेरोइलेक्ट्रिक्स आंतरिक रूप से डोमेन में टूट जाते हैं। डोमेन में अलग-अलग ध्रुवीकरण दिशाएँ होती हैं और बाहरी क्षेत्र की अनुपस्थिति में उनका कुल द्विध्रुवीय क्षण लगभग शून्य होता है।

बाहरी क्षेत्र ई की कार्रवाई के तहत, डोमेन की सीमाओं को स्थानांतरित कर दिया जाता है, और क्षेत्र के संबंध में ध्रुवीकृत कुछ क्षेत्र क्षेत्र ई की दिशा में डोमेन के ध्रुवीकरण में योगदान करते हैं।

ऐसी संरचना का एक ज्वलंत उदाहरण BaTiO3 का चतुष्कोणीय संशोधन है।

पर्याप्त रूप से मजबूत क्षेत्र E में, क्रिस्टल एकल-डोमेन बन जाता है, और बाहरी क्षेत्र को बंद करने के बाद, ध्रुवीकरण बना रहता है (यह अवशिष्ट ध्रुवीकरण Pc है)।

विपरीत चिन्ह वाले क्षेत्रों के आयतन को बराबर करने के लिए, नमूने पर विपरीत दिशा में एक बाहरी इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र Ec, एक ज़बरदस्त क्षेत्र लागू करना आवश्यक है।

इलेक्ट्रीशियन

डाइलेक्ट्रिक्स में स्थायी मैग्नेट - इलेक्ट्रोड के विद्युत एनालॉग हैं। ये ऐसे विशेष डाइलेक्ट्रिक्स हैं जो बाहरी विद्युत क्षेत्र को बंद करने के बाद भी लंबे समय तक ध्रुवीकरण बनाए रखने में सक्षम हैं।

पीजोइलेक्ट्रिक्स

प्रकृति में ऐसे अचालक हैं जो उन पर यांत्रिक प्रभाव से ध्रुवीकृत होते हैं। यांत्रिक विरूपण द्वारा क्रिस्टल का ध्रुवीकरण किया जाता है। इस घटना को पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के रूप में जाना जाता है। इसे 1880 में भाइयों जैक्स और पियरे क्यूरी द्वारा खोला गया था।

निष्कर्ष निम्नलिखित है। पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल की सतह पर स्थित धातु इलेक्ट्रोड में, क्रिस्टल के विरूपण के क्षण में एक संभावित अंतर होगा। यदि इलेक्ट्रोड को तार से बंद कर दिया जाता है, तो सर्किट में विद्युत प्रवाह दिखाई देगा।

रिवर्स पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव भी संभव है - क्रिस्टल का ध्रुवीकरण इसकी विकृति की ओर जाता है। जब पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल पर लगाए गए इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज लगाया जाता है, तो क्रिस्टल का एक यांत्रिक विरूपण होता है; यह लागू क्षेत्र की ताकत E0 के समानुपाती होगा। वर्तमान में, विज्ञान 1800 से अधिक प्रकार के पीजोइलेक्ट्रिक्स को जानता है। ध्रुवीय चरण में सभी फेरोइलेक्ट्रिक्स पीजोइलेक्ट्रिक गुण प्रदर्शित करते हैं।

पायरोइलेक्ट्रिक्स

गर्म या ठंडा होने पर कुछ परावैद्युत क्रिस्टल ध्रुवित हो जाते हैं, इस घटना को पायरोइलेक्ट्रिसिटी के रूप में जाना जाता है।उदाहरण के लिए, पाइरोइलेक्ट्रिक नमूने का एक सिरा गर्म होने पर ऋणात्मक रूप से आवेशित हो जाता है, जबकि दूसरा धनात्मक रूप से आवेशित हो जाता है। और जब यह ठंडा होता है, तो गर्म होने पर नकारात्मक रूप से चार्ज किया गया सिरा ठंडा होने पर सकारात्मक रूप से चार्ज हो जाएगा। जाहिर है, यह घटना किसी पदार्थ के प्रारंभिक ध्रुवीकरण में उसके तापमान में बदलाव के साथ बदलाव से संबंधित है।

हर पायरोइलेक्ट्रिक में है पीजोइलेक्ट्रिक गुण, लेकिन हर पीजोइलेक्ट्रिक एक पायरोइलेक्ट्रिक नहीं है। कुछ पाइरोइलेक्ट्रिक्स में फेरोइलेक्ट्रिक गुण होते हैं, अर्थात वे सहज ध्रुवीकरण में सक्षम होते हैं।

विद्युत विस्थापन

ढांकता हुआ स्थिरांक के विभिन्न मूल्यों के साथ दो मीडिया की सीमा पर, इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र ई की ताकत ε में तेज बदलाव के स्थान पर तेजी से बदलती है।

इलेक्ट्रोस्टैटिक्स में गणना को आसान बनाने के लिए, इलेक्ट्रिक विस्थापन वेक्टर या इलेक्ट्रिक इंडक्शन डी पेश किया गया था।

चूँकि E1ε1 = E2ε2, तब E1ε1ε0 = E2ε2ε0, जिसका अर्थ है:

अर्थात्, एक वातावरण से दूसरे वातावरण में संक्रमण के दौरान, विद्युत विस्थापन वेक्टर अपरिवर्तित रहता है, अर्थात विद्युत प्रेरण। यह चित्र में स्पष्ट रूप से दिखाया गया है:

निर्वात में एक बिंदु आवेश के लिए, विद्युत विस्थापन वेक्टर है:

चुंबकीय क्षेत्र के लिए चुंबकीय प्रवाह की तरह, इलेक्ट्रोस्टैटिक्स एक विद्युत विस्थापन वेक्टर के प्रवाह का उपयोग करता है।

इसलिए, एक समान इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र के लिए, जब विद्युत विस्थापन वेक्टर डी की रेखाएं क्षेत्र एस को कोण α पर सामान्य से पार करती हैं, तो हम लिख सकते हैं:

वेक्टर ई के लिए ओस्ट्रोग्रैडस्की-गॉस प्रमेय हमें वेक्टर डी के लिए संबंधित प्रमेय प्राप्त करने की अनुमति देता है।

तो, विद्युत विस्थापन वेक्टर डी के लिए ओस्ट्रोग्रैडस्की-गॉस प्रमेय इस तरह लगता है:

किसी भी बंद सतह के माध्यम से सदिश डी का प्रवाह केवल मुक्त आवेशों द्वारा निर्धारित किया जाता है, न कि उस सतह से घिरे आयतन के अंदर के सभी आवेशों द्वारा।

एक उदाहरण के रूप में, हम अलग-अलग ε के साथ दो असीम रूप से विस्तारित डाइलेक्ट्रिक्स के साथ एक समस्या पर विचार कर सकते हैं और दो मीडिया के बीच एक बाहरी क्षेत्र ई द्वारा प्रवेश किया जा सकता है।

यदि ε2> ε1, तो इस बात को ध्यान में रखते हुए कि E1n / E2n = ε2 / ε1 और E1t = E2t, चूंकि सदिश E का केवल सामान्य घटक बदलता है, केवल सदिश E की दिशा बदलती है।

हमने सदिश तीव्रता E के अपवर्तन का नियम प्राप्त किया।

वेक्टर डी के लिए अपवर्तन का कानून डी = εε0E के समान है और यह चित्र में दिखाया गया है: