Otwórz menu główne

Polaryzacja dielektryka (również: polaryzacja dielektryczna) – zjawisko polegające na utworzeniu dipoli elektrycznych lub orientacji już istniejących dipoli w reakcji na przyłożone pole elektryczne. W wyniku polaryzacji w dielektryku powstaje wewnętrzne pole elektryczne, które częściowo równoważy przyłożone zewnętrzne pole.

Skutkiem polaryzacji jest załamanie, odbicie i tłumienie fal elektromagnetycznych w dielektrykach. Makroskopowo objawia się ona tym, że zwiększa pojemność elektryczną kondensatora wypełnionego dielektrykiem. W polu elektrycznym ciała dielektryczne na skutek polaryzacji uzyskują makroskopowy moment dipolowy, co powoduje ich przyciąganie przez ładunki elektryczne i może być opisane jako ładunek indukowany na ich powierzchni.

Polaryzacją bywa też zwany wektor polaryzacji, który opisuje zjawisko polaryzacji.

HistoriaEdytuj

 
Spolaryzowany dielektryk w kondensatorze.

Mechanizmy polaryzacji dielektrykaEdytuj

Pole elektryczne działające na cząstkę dielektryka wytwarzające lub zmieniające orientację już istniejących dipoli jest sumą pola elektrycznego zewnętrznego, oraz wytwarzanego przez otaczający cząstkę ośrodek, w tym szczególnie sąsiednie dipole. W ogólności zagadnienie jest bardzo trudne do opisania, różne substancje zachowują się w odmienny sposób. Istnieją modele, które w prostych sytuacjach pozwalają na wyznaczenie tego pola: pole lokalne Lorentza, teorie Onsagera, Kirkwooda i Fröhlicha[1].

Polaryzacja dielektryków jest rezultatem 5 podstawowych zjawisk: polaryzacji elektronowej, atomowej, jonowej, orientacyjnej i ładunkiem przestrzennym.

 
Mechanizm elektronowej polaryzacji dielektryka

Polaryzacja elektronowaEdytuj

Polaryzacja elektronowa jest rezultatem przesunięcia się, pod wpływem pola elektrycznego, ujemnie naładowanych chmur elektronowych względem dodatnich jąder. Występuje we wszystkich materiałach. Jest to proces bardzo szybki, dlatego gdy badane jest zmiennym polem elektrycznym, to efekty z nim związane są obserwowane do częstotliwości odpowiadających ultrafioletowi[2]. Wielkość powstałego momentu dipolowego określa polaryzowalność elektronowa:

 

gdzie:

  – polaryzowalność elektronowa atomów dielektryka,
  – zaindukowany moment dipolowy,
  – lokalne natężenie pola elektrycznego.

Polaryzacja atomowaEdytuj

Polaryzacja atomowa zwana również molekularną lub cząsteczkową. Jest rezultatem przesunięcia się względem siebie atomów cząsteczki posiadających różne ładunki. Atomy mają znacznie większe masy niż elektrony, dlatego reakcja na zmianę pola elektrycznego jest wolniejsza. Zjawiska wynikające z polaryzacji atomowej są obserwowane do częstotliwości odpowiadającej podczerwieni. Jej udział w całkowitej polaryzacji jest znacznie mniejszy niż polaryzacji elektronowej, toteż niekiedy bywa ona pomijana[3].

Polaryzacja jonowaEdytuj

Polaryzacja jonowa zachodzi tylko w materiałach o wiązaniach jonowych. Jest rezultatem przesunięcia się jonów w sieci krystalicznej materiału – jednego znaku w jedną, drugiego w drugą. Jest najwolniejsza ze wszystkich procesów polaryzacyjnych, gdyż wymaga ruchu wielu atomów związanych w sieci krystalicznej.

 
Mechanizm orientacyjnej polaryzacji dielektryka

Polaryzacja orientacyjnaEdytuj

Polaryzacja orientacyjna zwana również dipolową występuje tylko w dielektrykach polarnych, czyli takich, których cząsteczki tworzą trwałe dipole (mają własny moment dipolowy). W polu elektrycznym działa na nie porządkujący moment siły. Jednocześnie uporządkowanie jest niszczone przez drgania termiczne, co powoduje, że polaryzacja orientacyjna jest zależna od temperatury.

Polaryzacja ładunkiem przestrzennymEdytuj

Polaryzacja ładunkiem przestrzennym występuje w materiałach, w których występują makroskopowe obszary, w których mogą poruszać się nośniki ładunków, ale ich swoboda jest ograniczona, z różnych przyczyn, do obszarów mniejszych niż rozmiary ciała. Mogą to być na przykład przewodzące granule rozmieszczone w izolującej osnowie. Ładunki mogą się przemieszczać jedynie w granicach ziaren fazy przewodzącej, które w ten sposób stają się dipolami[2].

Opis makroskopowyEdytuj

Wektor polaryzacjiEdytuj

Osobny artykuł: Wektor polaryzacji.

Ilościowo zjawisko opisuje wektor polaryzacji zdefiniowany jako suma efektywnych momentów dipolowych cząsteczek dielektryka na jednostkę objętości

 

gdzie:

 objętość dielektryka,
  – liczba dipoli w objętości  
 elektryczny moment dipolowy  -tego dipola.

Wypadkowe pole wewnątrz dielektryka wynosi

 

gdzie:

  – wypadkowe pole elektryczne w dielektryku,
  – zewnętrzne pole elektryczne przyłożone do dielektryka,
 przenikalność elektryczna próżni,
 przenikalność względna dielektryka.

Wektor polaryzacji jest skierowany tak jak moment dipolowy – od ładunków ujemnych do dodatnich, czyli odwrotnie niż wektor natężenia pole elektrycznego.

Jednostką wektora polaryzacji w układzie SI jest kulomb na metr kwadratowy:  .

Podatność dielektrycznaEdytuj

Osobny artykuł: Podatność elektryczna.

Polaryzację powstającą w danym materiale pod wpływem pola elektrycznego opisuje jego podatność dielektryczna. W liniowym dielektryku poszczególne składowe wektora polaryzacji możemy zapisać jako[4][5]

 

Podatność dielektryczna   jest tensorem drugiego rzędu.

W szczególnym przypadku jednorodnego dielektryka izotropowego wektor polaryzacji jest proporcjonalny do natężenia pola elektrycznego, a tensor podatności dielektrycznej redukuje się do skalara:

 

W takim przypadku można opisać polaryzację dielektryka przez ładunek indukowany na jego powierzchni (zwany ładunkiem związanym), określony przez

 

gdzie:

  – gęstość powierzchniowa ładunku indukowanego.

Dielektryk w zmiennym polu elektrycznymEdytuj

 
Składowa rzeczywista zespolonej przenikalności dielektrycznej i całkowite straty energii w typowym dielektryku w funkcji częstotliwości. Od prawej widoczne są trzy maksima strat dielektrycznych: polaryzacja elektronowa (w ultrafiolecie), polaryzacja atomowa (w podczerwieni) i orientacyjna polaryzacja dipolowa. Wzrost strat w zakresie niskich częstotliwości jest wywołany przewodnictwem elektrycznym (straty Joule’a-Lenza)[6].

DyspersjaEdytuj

Osobny artykuł: Dyspersja fali.
Osobny artykuł: Dyspersja (optyka).

Ponieważ mechanizmy polaryzacji zależą od czasu i występują w nich opóźnienia („nie nadążają” za polem), polaryzacja dielektryka jest opóźniona w stosunku do przyłożonego pola. Wektor polaryzacji, jak i wielkości opisujące właściwości dielektryka (jego podatność i przenikalność względna) muszą uwzględnić to opóźnienie. W tym celu stosuje się albo bezpośredni opis polaryzacji w funkcji czasu (tak zwany opis w domenie czasu) za pomocą funkcji odpowiedzi dielektrycznej, albo opis w domenie częstotliwości za pomocą liczb zespolonych.

Zależność przenikalności od częstotliwości pola nazywa się dyspersją dielektryczną. Badanie tej zależności ma duże znaczenie dla badania mechanizmów ruchu ładunków w materiałach i jest domeną spektroskopii impedancyjnej. Zależność przenikalności dielektrycznej od częstotliwości pociąga za sobą taką zależność współczynnika załamania, co powoduje zjawisko rozszczepienia światła.

Straty dielektryczneEdytuj

Osobny artykuł: Straty dielektryczne.

Siły występujące w polaryzacji elektronowej, atomowej i jonowej mają charakter sprężysty, zależność przenikalności dielektrycznej od częstotliwości będzie więc w nich miała charakter rezonansowy. Zmiany uporządkowania dipoli w czasie mają charakter relaksacji dipolowej.

Ponieważ wszystkie mechanizmy polaryzacji wymagają przyspieszania mas polaryzacja nie nadąża za polem, co powoduje straty energii, która rozpraszana jest w dielektryku w postaci ciepła. Straty energii zmiennego pola elektrycznego w dielektryku noszą nazwę strat dielektrycznych. Wystąpią one nawet w idealnym (to znaczy zupełnie nie przewodzącym stałego prądu elektrycznego) dielektryku.

W rzeczywistych dielektrykach wystąpią jeszcze dodatkowe straty energii związane z przewodzeniem prądu elektrycznego, określone przez Prawo Joule’a-Lenza.

Opis matematycznyEdytuj

Osobny artykuł: Relaksacja dielektryczna.

W zmiennym polu elektrycznym polaryzacja nie nadąża za zmianami pola elektrycznego i wektor polaryzacji jest przesunięty w fazie w stosunku do przyłożonego pola. Przenikalność i podatność dielektryczna są wtedy zespolonymi funkcjami częstotliwości[7]:

 
 

Zależność podatności od częstotliwości nosi nazwę dyspersji (niekiedy dyspersją nazywa się samą część rzeczywistą podatności). Części urojone podatności i przenikalności   opisują straty dielektryczne i noszą nazwę współczynnika strat[a].

Inne przyczyny polaryzacji dielektrykaEdytuj

Istnieją dielektryki, w których polaryzacja występuje z przyczyn innych niż przyłożone pole elektryczne. Są to:

  • Piezoelektryki, w których polaryzacja jest wywoływana naprężeniami mechanicznymi.
  • Piroelektryki, w których polaryzacja jest wywołana zmianami temperatury.
  • Ferroelektryki, które wykazują własną polaryzację elektryczną nawet w nieobecności zewnętrznego pola elektrycznego. Ich polaryzacja w funkcji przyłożonego pola jest nieliniowa i wykazuje histerezę.
  • Elektrety posiadają praktycznie trwałą polaryzację, osiąganą za pomocą odpowiednich procesów technologicznych.

UwagiEdytuj

  1. W literaturze współczynnikiem strat nazywa się niekiedy również tangens kąta strat  

PrzypisyEdytuj

  1. A. Chełkowski, Fizyka Dielektryków, s. 23–65.
  2. a b W. Bogusz i in., Podstawy fizyki, s. 217.
  3. A. Chełkowski, Fizyka dielektryków, s. 91.
  4. Zagadnienia fizyki dielektryków, s. 21.
  5. B. Hilczer i in., Elektrety..., s. 31.
  6. Kenneth A. Mauritz: Mauritz-Dielectric Spectroscopy. [dostęp 2010-12-11].
  7. A. Chełkowski, Fizyka dielektryków, s. 80–81.

BibliografiaEdytuj

  • Zagadnienia fizyki dielektryków, praca zbiorowa pod redakcją Teodora Krajewskiego, WKŁ, Warszawa 1970.
  • August Chełkowski, Edward Kluk, Fizyka Dielektryków, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1979, ISBN 83-01-01273-0, OCLC 69476252.
  • Władysław Bogusz, Jerzy Garbarczyk, Franciszek Krok, Podstawy Fizyki, Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1999, ISBN 83-7207-159-4, OCLC 749792476.
  • Bożena Hilczer, Jerzy Małecki: Elektrety i piezopolimery. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1992. ISBN 83-01-10612-3.
  • Helmut Föll: Electronic Materials. [dostęp 2010-12-10].