Что такое спонтанная поляризация

Поляризация диэлектриков

Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е₁, направленное против внешнего поля с напряженностью Е₀. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е₀-Е₁.

Содержание

Типы поляризации

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты. В связи с этим вводится понятие дисперсии диэлектрической проницаемости.

Зависимость вектора поляризации от внешнего поля

В постоянном поле

В слабых полях

В постоянном или достаточно медленно меняющемся от времени внешнем электрическом поле при достаточно малой величине напряженности этого поля, вектор поляризации P, как правило (исключение составляют сегнетоэлектрики), линейно зависит от вектора напряженности поля E:

(в системе СГС), (в системе СИ; дальше формулы в этом параграфе приводятся только в СГС, формулы СИ и дальше отличаются лишь электрической постоянной )

где — коэффициент, зависящий от химического состава, концентрации, структуры (в том числе от агрегатного состояния) среды, температуры, механических напряжений и т. д. (от одних факторов более сильно, от других слабее, конечно же и в зависимости от диапазона изменений каждого), и называемый (электрической) поляризуемостью (а чаще, по крайней мере для того случая, когда он выражается скаляром — диэлектрической восприимчивостью) данной среды. Для однородной среды фиксированного состава и структуры в фиксированных условиях ее можно считать константой. Однако в связи со всем сказанным выше вообще говоря зависит от точки пространства, времени (явно или через другие параметры) и т. д.

Для изотропных [1] жидкостей, изотропных твердых тел или кристаллов достаточно высокой симметрии — просто число (скаляр). В более общем случае (для кристаллов низкой симметрии, под действием механических напряжений и т. д.) — тензор (симметричный тензор второго ранга, вообще говоря невырожденный), называемый тензором поляризуемости. В этом случае можно переписать формулу так (в компонентах):

где величины со значками соответствуют компонентам векторов и тензора, соответствующим трем пространственным координатам.

Можно заметить, что поляризуемость — одна из наиболее удобных физических величин для простой иллюстрации физического смысла тензоров и применения их в физике.

Как и для всякого симметричного невырожденного тензора второго ранга, для тензора поляризуемости можно выбрать (если среда неоднородная — то есть тензор зависит от точки пространства — то по крайней мере локально, если же среда однородная, то и глобально) т. н. собственный базис — прямоугольные декартовы координаты, в которых матрица становится диагональной, а тогда — только в этих координатах(!) — запись немного упрощается:

где — три собственных числа тензора поляризуемости.

Если все эти три собственных числа равны друг другу, значит умножение на тензор эквивалентно умножению на число, а среда изотропна (в отношении поляризуемости). (Отсюда ясно, почему кристалл с высокой симметрией не может давать анизотропии: требованиям симметрии могут удовлетворить только три одинаковых собственных числа).

В сильных полях

В достаточно сильных полях [2] всё описанное выше осложняется тем, что по мере роста напряженности электрического поля рано или поздно теряется линейность зависимости P от E.

Характер появляющейся нелинейности и характерная величина поля, с которой нелинейность становится заметной, тоже, конечно, зависит от индивидуальных свойств среды, условий итп.

Можно выделить их связь с типами поляризации, описанными выше.

Так для электронной и ионной поляризации при полях, приближающихся к величинам порядка отношения потенциала ионизации к характерному размеру молекулы U₀/D, характерно сначала ускорение роста вектора поляризации с ростом поля (увеличение наклона графика P(E)), затем плавно переходящее в пробой диэлектрика.

Дипольная (Ориентационная) поляризация при обычно несколько более низких значениях напряженности внешнего поля — порядка kT/p (где p — дипольный момент молекулы, T — температура, k — константа Больцмана) — то есть когда энергия взаимодействия диполя (молекулы) с полем становится сравнимой со средней энергией теплового движения (вращения) диполя — наоборот начинает достигать насыщения (при дальнейшем росте напряженности поля должен рано или поздно включиться сценарий электронной или ионной поляризации, описанный выше, и кончающийся пробоем).

В зависящем от времени поле

Зависимость вектора поляризации от быстро меняющегося во времени внешнего поля достаточно сложна. Она зависит от конкретного вида изменения внешнего поля со временем, быстроты этого изменения (или, скажем, частоты колебаний) внешнего поля, превалирующего механизма поляризации в данном веществе или среде (который тоже оказывается разным для разных зависимостей внешнего поля от времени, частот и т. д.).

При достаточно медленном изменении внешнего поля поляризация в целом происходит как в постоянном поле или очень близко к этому (впрочем то, насколько медленным должно быть для этого изменение поля, зависит, и зачастую крайне сильно, от превалирующего типа поляризации и других условий, например температуры).

Одним из наиболее распространенных подходов к изучению зависимости поляризации от характера меняющегося во времени поля является исследование (теоретическое и экспериментальное) случая синусоидальной зависимости от времени внешнего поля и зависимости вектора поляризации (также меняющегося в этом случае по синусоидальному закону с той же частотой), его амплитуды и сдвига фазы от частоты.

Каждому механизму поляризации в целом соответствует тот или иной диапазон частот и общий характер зависимости от частоты.

Диапазон частот, в котором имеет смысл говорить о поляризации диэлектриков как таковой, простирается от нуля где-то до ультрафиолетовой области, в которой становится интенсивной ионизация под действием поля.

Источник

Сегнетоэлектричество

Нелинейная природа сегнетоэлектрических материалов позволяет создавать конденсаторы с регулируемой емкостью. Обычно сегнетоэлектрический конденсатор просто состоит из пары электродов, между которыми находится слой сегнетоэлектрического материала. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков не только регулируется, но и обычно очень высока, особенно когда она близка к температуре фазового перехода. Из-за этого сегнетоэлектрические конденсаторы имеют небольшой физический размер по сравнению с диэлектрическими (ненастраиваемыми) конденсаторами аналогичной емкости.

Спонтанная поляризация сегнетоэлектрических материалов подразумевает эффект гистерезиса, который можно использовать в качестве функции памяти, а сегнетоэлектрические конденсаторы действительно используются для изготовления сегнетоэлектрического ОЗУ [6] для компьютеров и RFID- карт. В этих приложениях обычно используются тонкие пленки из сегнетоэлектрических материалов, поскольку это позволяет получить поле, необходимое для переключения поляризации, с умеренным напряжением. Однако при использовании тонких пленок необходимо уделять большое внимание интерфейсам, электродам и качеству образцов, чтобы устройства работали надежно. [7]

По соображениям симметрии сегнетоэлектрические материалы должны быть также пьезоэлектрическими и пироэлектрическими. Комбинированные свойства памяти, пьезоэлектричества и пироэлектричества делают сегнетоэлектрические конденсаторы очень полезными, например, для сенсорных приложений. Сегнетоэлектрические конденсаторы используются в медицинских ультразвуковых аппаратах (конденсаторы генерируют, а затем слушают ультразвуковой сигнал, используемый для изображения внутренних органов тела), высококачественных инфракрасных камерах (инфракрасное изображение проецируется на двумерный массив сегнетоэлектрических конденсаторов, способных обнаружение разницы температур до миллионных долей градуса Цельсия), датчики пожара, гидролокаторы, датчики вибрации и даже топливные форсунки на дизельных двигателях.

Важным сегнетоэлектрическим материалом для применения является цирконат-титанат свинца (PZT), который является частью твердого раствора, образованного между сегнетоэлектрическим титанатом свинца и антисегнетоэлектрическим цирконатом свинца. Для разных целей используются разные композиции; для приложений с памятью предпочтительнее использовать PZT, более близкий по составу к титанату свинца, тогда как в пьезоэлектрических приложениях используются расходящиеся пьезоэлектрические коэффициенты, связанные с морфотропной фазовой границей, близкой к составу 50/50.

В 2010 году Дэвид Филд обнаружил, что прозаические пленки химических веществ, таких как закись азота или пропан, проявляют сегнетоэлектрические свойства. [ необходима цитата ] Этот новый класс сегнетоэлектрических материалов демонстрирует « спонтанные » свойства и может иметь широкое применение в устройствах и нанотехнологиях, а также влиять на электрическую природу пыли в межзвездной среде.

Спонтанная поляризация P _s сегнетоэлектрика для кубического фазового перехода в тетрагональную может быть получена путем рассмотрения одномерного выражения свободной энергии, которое имеет вид:

Поскольку P _x = 0 соответствует максимуму свободной энергии в сегнетоэлектрической фазе, спонтанная поляризация P _s получается из решения уравнения:

и исключение решений, дающих отрицательный квадратный корень (для фазовых переходов первого или второго рода), дает:

Источник

Поляризация света для «чайников»: определение, суть явления и сущность

В нашем блоге уже можно найти статьи про преломление, дисперсию и дифракцию света. Теперь пришло время поговорить о том, в чем заключается сущность поляризации света.

В самом общем смысле правильнее говорить о поляризации волн. Поляризация света, как явление, представляет собой частный случай поляризации волны. Ведь свет представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне, воспринимаемом глазами человека.

Что такое поляризация света

Поляризация – это характеристика поперечных волн. Она описывает положение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Если этой темы не было на лекциях в университете, то вы, вероятно, спросите: что это за колеблющаяся величина и какому направлению она перпендикулярна?

Как выглядит распространение света, если посмотреть на этот вопрос с точки зрения физики? Как, где и что колеблется, и куда при этом летит?

Свет – это электромагнитная волна, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля E и вектором напряженности магнитного поля Н. Кстати, интересные факты о природе света можно узнать из нашей статьи.

Согласно теории Максвелла, световые волны поперечны. Это значит, что векторы E и H взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

Поляризация наблюдается только на поперечных волнах.

Для описания поляризации света достаточно знать положение только одного из векторов. Обычно для этого рассматривается вектор E.

Если направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, свет называется поляризованным.

Возьмем свет на рисунке, который приведен выше. Он, безусловно, поляризован, так как вектор E колеблется в одной плоскости.

Если же вектор E колеблется в разных плоскостях с одинаковой вероятностью, то такой свет называется естественным.

Поляризация света по определению – это выделение из естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Откуда берется поляризованный свет?

Свет, который мы видим вокруг себя, чаще всего неполяризован. Свет от лампочек, солнечный свет – это свет, в котором вектор напряженности колеблется во всех возможных направлениях. Но если вам по роду деятельности приходится весь день смотреть в ЖК-монитор, знайте: вы видите поляризованный свет.

Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.

Анизотропная среда – среда, имеющая разные свойства в зависимости от направления внутри этой среды.

В качестве поляризаторов используются кристаллы. Один из природных кристаллов, часто и давно применяемых в опытах по изучению поляризации света — турмалин.

Связь между углом падения и степенью поляризации света выражается законом Брюстера.

Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.

Практическое применение явления поляризации света

Поляризация света – не просто явление, которое интересно изучать. Оно широко применяется на практике.

Пример, с которым знакомы почти все – 3D-кинематограф. Еще один пример – поляризационные очки, в которых не видно бликов солнца на воде, а свет фар встречных машин не слепит водителя. Поляризационные фильтры применяются в фототехнике, а поляризация волн используется для передачи сигналов между антеннами космических аппаратов.

Чтобы не терять время и преодолеть трудности максимально быстро, обратитесь за советом и помощью к нашим авторам. Мы поможем выполнить реферат, лабораторную работу, решить контрольные задания на тему «поляризация света».

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник

Что такое спонтанная поляризация

В зависимости от того, выделяется в процессе поляризации в диэлектрике теплота или нет, она может быть двух видов: упругая и релаксационная.

Упругая поляризация протекает практически мгновенно под действием электрического поля и не сопровождается рассеянием (потерями) энергии в диэлектрике, т.е. теплота в нем не выделяется.

Релаксационная поляризация нарастает и убывает в течение некоторого промежутка времени и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием.

Существует несколько основных механизмов поляризации: электронная, ионная, дипольная, миграционная и др.

Электронная поляризация – это упругое смещение и деформация электронных орбит относительно положительно заряженного ядра (рисунок 4.4). При этом образуются упругие диполи – пары связанных друг с другом электрических зарядов (смещенные электроны и положительные заряды ядер атомов). Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации, и не связана с потерями энергии до резонансных частот.

Рисунок 4.4 – Механизм электронной поляризации

Значение относительной диэлектрической проницаемости ε вещества с чисто электронной поляризацией численно равно квадрату показателя преломления света, т.е. равенство (4.15) выполняется строго. Поляризуемость частицы α в этом случае не зависит от температуры, а ε уменьшается с повышением температуры из-за теплового расширения диэлектрика и уменьшения числа частиц в единице объема.

При увеличении размера атома электронная поляризуемость увеличивается, т.к. при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки, но и возрастает заряд ядра.

Ионная поляризация – это смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в твердых веществах с ионными связями, например, в ионных кристаллах типа NaCl (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 – Механизм ионной поляризации на примере элементарной ячейки кристалла NaCl

Дипольная, или дипольно-релаксационная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Сущность этого вида поляризации заключается в повороте (ориентации) в направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент (рисунок 4.6). Более строго дипольную поляризацию можно объяснить не как непосредственный поворот полярных молекул под действием внешнего поля, а как внесение этим полем некоторой упорядоченности в положения полярных молекул, непрерывно совершающих хаотические тепловые движения. Таким образом, дипольная поляризация по своей природе связана с тепловыми движениями молекул, и на нее существенное влияние оказывает температура.

С увеличением температуры молекулярные силы, препятствующие ориентации диполей относительно поля, ослабевают, и поляризация усиливается. Однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля, и после некоторого максимума относительная диэлектрическая проницаемость снова начинает уменьшаться
(а следовательно, уменьшается и степень поляризации).

Рисунок 4.6 – Механизм дипольной поляризации

Дипольная поляризация в простейшем виде проявляется в газах, жидкостях и аморфных вязких веществах; в кристаллах (при температурах ниже точки плавления) диполи молекул обычно «заморожены», т.е. закреплены на своих местах и не могут ориентироваться. Однако дипольная поляризация все же наблюдается в некоторых кристаллических телах с неплотной упаковкой молекул, например, в водяном льду и других кристаллах с водородными связями, где переориентация диполя заключается в перескоке протона из одного положения в другое. В полимерах может иметь место поворот (или переброс) не целых молекул, а отдельных их частей (сегментов). Поскольку в этом случае происходит поворот имеющихся в молекуле полярных радикалов по отношению к самой молекуле, такая поляризация называется также дипольно-радикальной.

Процесс установления дипольной поляризации, после включения диэлектрика под напряжение (или процесс ее ликвидации после снятия напряжения), требует относительно большого по сравнению с практически безынерционными явлениями электронной и ионной поляризации времени. Поляризованность Р_Д дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:

(4.23)

где τ – время релаксации дипольной поляризации.

Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшается вследствие наличия теплового движения в 2,7 (е) раза от первоначального значения, т.е. система из неравновесного состояния приближается к равновесному.

Миграционная поляризация является дополнительным механизмом поляризации и наблюдается в неоднородных диэлектриках с полупроводящими включениями. Этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накоплении объемных зарядов на границах раздела (рисунок 4.7). Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь на весьма низких частотах. Она связана со значительным рассеянием энергии в диэлектрике.

Рисунок 4.7 – Механизм миграционной поляризации

В зависимости от того, какой механизм поляризации превалирует в диэлектрике, они делятся на три группы:

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Источник