Polarisering

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 4. maj 2021; checks kræver 9 redigeringer .

Polarisering [1] ( polarisationsvektor ) er en vektorfysisk størrelse svarende til dipolmomentet af en enhedsvolumen af et stof, der opstår under dets polarisering, en kvantitativ karakteristik af dielektrisk polarisation [2] .

Benævnt med bogstavet i International System of Units (SI) måles det i C / m 2 . ${\mathbf {P}}$

Definition

Polarisering er defineret som det elektriske dipolmoment pr. volumenenhed:

{\vec {P}}={\frac {\vec {p}}{V}}={\frac {1}{V}}\sum _{i}^{N}{\vec { p}}_{i}

hvor er dipolmomentet for det th individuelle atom, er antallet af atomer i volumen , og er dipolmomentet for alle disse atomer. ${\vec {p}}_{i}$ $jeg$ $N$ $V$ ${\vec {p}}$

I tilfælde af et inhomogent medium er polarisationen udtrykt som

{\vec {P}}={\frac {d{\vec {p}}}{dV}}

hvor er det samlede dipolmoment for atomer i rumfanget , og er en funktion af koordinaterne. $d{\vec {p}}$ $dV$

Fysisk natur

Dielektrisk polarisering er forårsaget af et lokalt skift af ladninger i et stofs molekyler i et eksternt elektrisk felt sammenlignet med deres placering i fravær af et felt. På et mikroskopisk niveau kan årsagen til dette skift være forskydningen af elektronskallen i forhold til atomets kerne eller omlægningen af molekyler, der har deres eget dipolmoment .

Som følge heraf forekommer lokale krænkelser af elektrisk neutralitet i dielektrikumet, det vil sige, at den såkaldte "bundne" ladning fremstår - volumetrisk ( , symbol b fra engelsk bundet , C/m 3 ) eller overflade ( , C/m 2 ) . Ladningstætheden på et bestemt punkt i rummet er summen af tæthederne af "tredjeparten" (ellers kaldet "gratis" , fra engelsk free ) og tilhørende :. En bundet ladning vises på samme sted, hvor der er en tredjepartsladning, såvel som på steder med inhomogenitet af dielektrikumet og ved dets grænser. I alt, over hele dielektrikumet, er den bundne ladning altid nul. ${\displaystyle \rho _{b))$ $\sigma _{b}$ ${\displaystyle \rho _{f))$ ${\displaystyle \rho =\rho _{f}+\rho _{b))$

Volumentætheden af den bundne ladning udtrykkes i form af polarisationsdivergensen :

\rho _{b}=-{\rm {{div}\,{\vec {P))))

Overfladedensiteten af den bundne ladning ved dielektrisk-vakuumgrænsefladen findes gennem polarisationskomponenten vinkelret på overfladen:

\sigma _{b}=P_{n}=\mathbf {P} \cdot \mathbf {n}

hvor er enhedsvektoren for normalen til overfladen. $\mathbf {n}$

Du kan introducere vektoren for elektrisk induktion , hvilket er praktisk, når du beskriver det elektriske felt i et kontinuerligt medium: $\mathbf {D}$

{\mathbf D}=\varepsilon _{0}{\mathbf E}+{\mathbf P}

(SI)

{\mathbf D}={\mathbf E}+4\pi {\mathbf P}

(GHS)

Når man skriver elektrodynamikkens ligninger, er det nødvendigt at skelne mellem de nævnte typer ladningstæthed. For eksempel ser en af Maxwells ligninger præcis ud som , og ikonet f kan fjernes enten for vakuum, eller hvis det er fastsat, at den eksterne ladning i denne sammenhæng betegnes uden et indeks. ${\displaystyle {\rm {{div}{\vec {D}}=\rho _{f))))$

Polarisationsvektoren kan karakterisere både induceret og spontan polarisering - det vil sige, den kan bruges til at beskrive polarisationstilstanden for både almindelige dielektrika og ferroelektriske stoffer .

Forbindelse med det elektriske felt

Grundlæggende er forholdet mellem polarisering og det elektriske felt, der forårsagede polariseringen, lineært, nemlig:

\mathbf {P} =\varepsilon _{0}\chi _{e}\mathbf {E} \,

(i SI -system )

\mathbf {P} =\chi _{e}\mathbf {E} \,

(i CGS -systemet ),

hvor er den dielektriske følsomhed . I tilfælde af et anisotropt materiale er forholdet mellem polarisation og felt givet gennem polariserbarhedstensoren : $\chi _{e}$

\mathbf {P} ={\hat {\alpha }}\mathbf {E}

Visse stoffer kan polariseres i fravær af et elektrisk felt. Sådanne stoffer omfatter pyroelektriske stoffer - krystallinske stoffer med spontan polarisering og elektreter - amorfe stoffer , hvor polariseringen induceret af feltet kan vare ved i lang tid.

Variabel felt case

I tilfælde af et vekslende elektrisk felt kan mediet reagere på en ændring i feltet med en vis forsinkelse. I dette tilfælde afhænger polariseringen på et givet tidspunkt af styrken af det påførte elektriske felt på tidligere tidspunkter. I sådanne tilfælde taler man om tidsspredning og forholdet mellem polarisering og elektromagnetisk felt ser ud

{\displaystyle \mathbf {P} (t)=\int \limits _{0}^{\infty }{\hat {\alpha }}(t^{\prime })\mathbf {E} (tt^{ \prime })dt^{\prime ))

Fourierbillederne af polarisationen og den elektriske feltstyrke er i dette tilfælde relateret af en lineær sammenhæng: , hvor $\mathbf {(} P)_{\omega }={\hat {\alpha }}(\omega )\mathbf {E} _{\omega }$

{\hat {\alpha }}(\omega )=\int \limits _{0}^{\infty }{\hat {\alpha }}(t)e^{i\omega t}dt

Hvis det elektromagnetiske felt er inhomogent i rummet, som for eksempel i tilfælde af udbredelse af elektromagnetiske bølger , og interagerer med excitationer i stof, der har en bølgelængde i størrelsesordenen af den elektromagnetiske bølge, så polarisationsværdien på et bestemt punkt i rummet afhænger af værdien af den elektriske feltstyrke ved nabopunkter i rummet. I sådanne tilfælde taler man om rumlig spredning..

{\displaystyle \mathbf {P} (t,\mathbf {r} )=\int d^{3}r^{\prime }\int \limits _{0}^{\infty }{\hat {\alpha ))(t^{\prime },\mathbf {r} ^{\prime })\mathbf {E} (tt^{\prime },\mathbf {r} -\mathbf {r} ^{\prime } )dt^{\prime ))

I stærke elektriske felter kan forholdet mellem polarisering og elektrisk felt afvige fra lineært. De fænomener, der opstår i dette tilfælde, studeres for eksempel i ikke-lineær optik .

Se også

Magnetisering vektor

Noter

↑ GOST R 52002-2003 http://www.gostrf.com/normadata/1/4294816/4294816193.pdf Arkiveret 10. maj 2021 på Wayback Machine
↑ Sivukhin D.V. Almen kursus i fysik. - M . : Nauka , 1977. - T. III. Elektricitet. — 688 s. - side 61