Dielektriķu polarizēšanās

Dielektriķu polarizēšanās ir polāros dielektriķos esošo dipolu orientēšanās vai dipolu izveidošanās nepolāros dielektriķos elektriskā lauka intensitātes līniju virzienā.

Polarizācija

Elektriskais dipols ārējā elektriskajā laukā

Atšķirībā no vadītājiem elektroni dielektriķos ir saistīti atomos vai molekulās, tātad dielektriķos lādiņnesēji nevar brīvi pārvietoties ārēja elektriskā lauka iedarbībā. Taču molekulas dielektriķos var būt polāras, tas ir, molekulu pozitīvie un negatīvie lādiņi var būt nobīdīti viens attiecībā pret otru un veidot elektriskos dipolus. Ārējā elektriskā lauka ${\vec {E_{0}}}$ ietekmē arī nepolāros dielektriķos izveidojas dipoli. Novietojot homogēnā elektriskajā laukā atsevišķu brīvu dipolu tā, ka tā plecs ${\vec {l}}$ veido noteiktu leņķi ar elektriskā lauka intensitātes līnijām, uz dipola lādiņiem ($-q$ un $+q$) sāk iedarboties savstarpēji paralēli spēki $\left(\left\vert {\vec {F_{+}}}\right\vert =\left\vert {\vec {F_{-}}}\right\vert =qE\right)$ — šo spēku pāris darbojas uz dipolu ar spēka momentu ${\vec {M}}={\vec {l}}\times {\vec {F_{+}}}$. Spēka moments kļūst vienāds ar nulli, kad dipols pagriežas elektriskā lauka intensitātes līniju virzienā; ja šādā stāvoklī dipolam nav ātruma, tad dipols ir stabilā līdzsvara stāvoklī. No šāda stāvokļa izvirzītu dipolu līdzsvara stāvoklī atgriež spēku pāris, un, ja pēc tam uz dipolu iedarbojas tikai elektriskā lauka spēki, tad dipols veic nerimstošas svārstības, kas pie maziem novirzes leņķiem ir harmoniskas; ja uz dipolu iedarbojas arī pretestības spēki, svārstības ir rimstošas.

Orientācijas un indukcijas polarizēšanās

Polārā dielektriķī, kamēr tas neatrodas elektriskajā laukā, pastāv elementāri dipoli, kuriem piemīt katram savs dipolmoments ${\vec {p_{e}}}$ un kuri ir haotiski orientēti, tādējādi visa dielektriķa dipolmoments ir nulle. Ektriskajā laukā polāra dielektriķa dipoli pēc iespējas orientējas elektriskā lauka intensitātes līniju virzienā, dielektriķis iegūst dipolmomentu. Rezultātā uz dielektriķa virsmas inducējas pretēju zīmju lādiņi, dielektriķa iekšienē radot ārējam laukam pretēji vērstu lauku — rezultējošā lauka intensitāte dielektriķī samazinās $\varepsilon _{r}$ (relatīvā dielektriskā caurlaidība) reizes. Polāru dieleketriķu polarizēšanos sauc par orientācijas polarizēšanos, visvieglāk tā notiek šķidros un gāzveida dielektriķos. Molekulu siltumkustība traucē dipolu orientēšanos, un jo augstāka temperatūra $T$, jo mazāka $\varepsilon _{r}$.

Nepolāra dielektriķa molekulām ārpus elektriskā lauka pozitīvā un negatīvā lādiņa centri sakrīt, tas ir, kamēr šāds dielektriķis neatrodas elektriskajā laukā, tajā nav dipolu. Ārējais elektriskais lauks molekulu (vai atomu, kristāla elementāršūnu) lādiņus nobīda pretējos virzienos un izveido elektriskos dipolus ar inducētiem, elektriskā lauka virzienā vērstiem dipolmomentiem. Vielas iekšienē pretēju zīmju lādiņi kompensējas, bet dielektriķa virsma uzlādējas (polarizācijas lādiņi). Uz virsmas tā arī neizveidojas brīvi lādiņnesēji. Nepolāru dielektriķu polarizēšanos sauc par indukcijas jeb nobīdes (deformācijas, arī elastisko) polarizēšanos. Šāda polarizācija notiek arī polāros dielektriķos, taču to salīdzinājumā ar orientācijas polarizāciju parasti var neievērot.

Polarizētība, polarizējamība, uzņēmība

Dielektriķa polarizācijas pakāpi raksturo ar polarizētību jeb polarizācijas vektoru ${\vec {P}}$, kurš rāda, cik liels ir dielektriķa tilpuma vienības elektriskais dipolmoments. Ja dielektriķis visā tā tilpumā $V$ polarizēts vienmērīgi, tad

${\vec {P}}={\frac {\vec {p_{e}}}{V}}$,

šī lieluma pamatmērvienība ir C/m² — tāda pati kā virsmas lādiņa blīvumam $\sigma$.

Nepolārā dielektriķī elementārā dipola inducētais dipolmoments ${\vec {p_{ei}}}$ ir proporcionāls elektriskā lauka intensitātei ${\vec {E}}$:

${\vec {p_{ei}}}=\alpha \varepsilon _{0}{\vec {E}}$,

kur $\alpha$ ir polarizējamība (koeficients, kura pamatmērvienība ir m³), $\varepsilon _{0}$ ir elektriskā konstante.

Polarizētību var izteikt šādi:

${\vec {P}}={\frac {N{\vec {p_{ei}}}}{V}}=n\alpha \varepsilon _{0}{\vec {E}}$,

kur $N$ ir elementāro dipolu skaits dielektriķī, $n$ ir to koncentrācija, un šī sakarība tiek izmantota arī polāriem dielektriķiem. Bezdimensionālo lielumu $\varkappa _{e}=n\alpha$ sauc par dielektrisko uzņēmību, nepolāriem dielektriķiem tas nav atkarīgs no elektriskā lauka intensitātes (ja intensitāte nepārsniedz vērtības, pie kurām lādiņu nobīde ir proporcionāla) un no temperatūras. Polāriem dielektriķiem uzņēmība ir nemainīga pie mazas intensitātes, bet, tai sasniedzot noteiktu lielumu, uzņēmība samazinās; savukārt jo lielāka temperatūra, jo mazāka polarizēta dielektriķa uzņēmība.

Pjezoelektriķi, piroelektriķi, segnetoelektriķi

Pjezoelektriķi ir kristāliski dielektriķi, kas polarizējas mehāniska sprieguma dēļ (pjezoelektriskais efekts). Apgrieztais pjezoelektriskais efekts ir kristālu izmēru izmaiņas laikā mainīga elektriskā lauka iedarbības dēļ.

Piroelektriķi ir kristāliskas vielas, kuras ir spontāni polarizētas, tām atrodoties termodinamiskā līdzsvarā un neesot ārējam elektriskajam laukam, — uz virsmas rodas saistīti lādiņi, kurus var konstatēt, kristālu strauji sasildot vai atdzesējot.

Segnetoelektriķi ir kristāliskas vielas, kurās bez ārēja elektriskā lauka jau pastāv noteiktos virzienos polarizēti vielas apgabali (domēni). Ievietojot šādu vielu ārējā laukā, polarizētie apgabali pārorientējas ārējā lauka virzienā.

Skatīt arī

• Elektrostatiskā indukcija
• Elektriskā lauka indukcija