1 Własności elektryczne materii

2 Dielektryki Dielektryk (izolator) – materiał nie przewodzący prądu elektrycznego dokładniej – przewodzi prąd o 1015 – 1020 razy słabiej od przewodników. + - dielektryk stała dielektryczna

3 Pojemność kondensatoraJeśli okładki kondensatora są odłączone od źródła napięcia Q = const napięcie na kondensatorze zmaleje ε razy Dla kondensatora płaskiego natężenie pola elektrycznego maleje ε razy Dlaczego?

4 Na powierzchni dielektryka muszą wystąpić ładunki wytwarzające pole elektryczne w przeciwnym kierunku – ładunki polaryzacyjne (związane) + - - + natężenie pola w pustym kondensatorze gęstość powierzchniowa ładunków swobodnych gęstość powierzchniowa ładunków polaryzacyjnych przewodnik (ładunki swobodne) podatność elektryczna dielektryka

5 Przyczyną pojawienia się ładunku polaryzacyjnego na powierzchni dielektryka jest zjawisko polaryzacji dielektryka. Wektor polaryzacji elektryczny moment dipolowy Wektor polaryzacji – moment dipolowy przypadający na jednostkę objętości

6 Dipol elektryczny – układ dwóch ładunków punktowych różnoimiennych, q1 = q2 =qWartość momentu dipolowego takiego układu Moment dipolowy rozkładu ładunków Jeżeli wektory momentów dipolowych wszystkich atomów (cząsteczek) są jednakowe, to wektor polaryzacji liczba atomów (cząsteczek) w jednostce objętości - koncentracja

7 Wewnątrz dielektryka sumaryczny ładunek Q = 0Wewnątrz dielektryka sumaryczny ładunek Q = 0. W każdej warstwie przypowierzchniowej wartość ładunku + - Bezwzględna wartość gęstości ładunku polaryzacji = polaryzacji gdy wektory są zgodne

8 Trzy wektory pola elektrycznegowektor indukcji elektrycznej

9 Wektor indukcji elektrycznej wiąże się z ładunkiem swobodnym – linie wektora zaczynają się i kończą na ładunkach swobodnych Wektor polaryzacji wiąże się wyłącznie z ładunkiem polaryzacyjnym. Linie wektora zaczynają się i kończą na ładunkach polaryzacyjnych. Zwrot wektora od ładunku ujemnego do dodatniego (jak w każdym dipolu) Wektor związany jest z całkowitym ładunkiem – swobodnym i polaryzacyjnym.

10 + - + molekuła niesymetryczna – polarna, trwały moment dipolowy  0 molekuła symetryczna -niepolarna, trwały moment dipolowy = 0

11 Dielektryki niepolarne w jednorodnym polu elektrycznym – polaryzacja elektronowaRozważmy symetryczną cząsteczkę wodoru H2.  H H Moment dipolowy = 0

12 Umieśćmy atom wodoru w polu elektrycznymdziałanie pola zewnętrznego na elektron oddziaływanie między protonem i elektronem indukowany moment dipolowy

13 Ogólnie indukowany moment dipolowy atomu (cząsteczki)współczynnik  - polaryzowalność atomu (cząsteczki) Ponieważ Podatność elektryczna dielektryka niepolarnego a stała dielektryczna

14 Dielektryki polarne w jednorodnym polu elektrycznym – polaryzacja orientacyjnaZewnętrzne pole elektryczne powoduje takie ustawienie cząsteczek dielektryka, aby ich moment dipolowy był zgodny z kierunkiem pola elektrycznego. Ruch cieplny cząsteczek przeciwdziała takiemu ustawieniu. Można wykazać, że wektor polaryzacji dielektryka polarnego P kB = stała Boltzmanna E

15 Ferroelektryki Poniżej temperatury Curie struktura ulega deformacji – jony Ba2+ i Ti4+ przesuwają się względem jonów O2- - powstaje moment dipolowy Charakteryzują się: dużą przenikalnością dielektryczną, np. tytanian baru (BaTiO3) – ε = 5900 a nawet do 10000 nieliniową zależnością polaryzacji od przyłożonego pola elektrycznego wartości polaryzacji (a więc i D) zależą od historii dielektryka, przy cyklicznych zmianach pola P(E) ma kształt pętli histerezy

16 Polaryzacja początkowa = 0.wzrasta pole E - polaryzacja rośnie 1 maleje pole E – polaryzacja maleje 2 2 pole E = 0 – P = Ps polaryzacja spontaniczna 1 3 pole E < P = 0 dla E = Ec pole koercji dalsza zmiana pola E - P zmienia się tak jak na krzywej 3

17 Własności ferroelektryczne kryształów obserwuje się w pewnych temperaturach – zanikają powyżej tzw. temperatury Curie W ferroelektrykach istnieją spontanicznie spolaryzowane obszary – domeny. Po wprowadzeniu ferroelektryka w pole elektryczne następuje zmiana orientacji momentów dipolowych domen i kryształ uzyskuje trwałą polaryzację.

18 Elektrety Dielektryki wykazujące trwałą polaryzację elektryczną – odpowiednik trwałych magnesów. Można je wytworzyć z dielektryków polarnych, których cząsteczki mają duży moment dipolowy. Dielektryk ogrzany do wysokiej temperatury, nawet powyżej topnienia, umieszcza się w silnym polu elektrycznym i ochładza. Polaryzacja istniejąca w wysokiej temperaturze zostaje w dielektryku utrwalona, nawet po wyłączeniu pola. Elektrety wykorzystuje się np. w mikrofonach elektretowych. Wewnętrzna struktura elektretu

19 Piezoelektryki Zjawisko piezoelektryczne – powstawanie polaryzacji pod wpływem odkształceń mechanicznych. Odwrotne zjawisko piezoelektryczne – kryształy zmieniają swoje rozmiary pod wpływem pola elektrycznego. + + + - - - - - + - + - - - + + + + Odkształcenie mechaniczne, całkowity moment dipolowy  0 Całkowity moment dipolowy = 0

20 Przyłożenie zewnętrznego pola powoduje odkształcenie cząsteczek – wydłużenie lub skrócenie kryształu w kierunku pola. Przyłożenie zmiennego napięcia powoduje pobudzenie piezoelektryka do drgań mechanicznych. Amplituda tych drgań jest maksymalna (rezonans) gdy częstość zmian napięcia = częstości drgań własnych kryształu. Zastosowania: wytwarzanie ultradźwięków, stabilizacja częstości drgań w układach elektronicznych