誘電体と分極

誘電体は電場中で分極し、電場を減少させ静電容量を増加させる束縛電荷を生成する。

Definition

誘電体とは、印加された電場中でその束縛電荷がわずかに移動し、分極を生じる絶縁体である。結果として生じる束縛電荷、電束密度、感受率、誘電率は、その材料が内部の電場をどのように変化させるかを記述する。

Scope

このトピックでは、誘電体の分極、束縛表面電荷と体積電荷、電束密度、電気感受率と誘電率、微視的な分極率と巨視的な誘電率の関係、誘電体中のエネルギー、誘電体界面での境界条件について扱う。線形誘電体を含み、強誘電挙動についても言及するが、詳細な固体メカニズムは凝縮系物理学の範疇である。

Core questions

• 誘電体はどのようにして電場中で分極するのか？
• 束縛電荷と電束密度は分極とどのように関連しているのか？
• 微視的な分極率と巨視的な誘電率を結びつけるものは何か？

Key concepts

• 分極
• 束縛電荷
• 電束密度 D
• 電気感受率
• 誘電率
• 比誘電率
• 分極率
• 強誘電性

Key theories

分極と束縛電荷

印加された電場は整列した双極子を誘起し、その正味の効果は束縛表面電荷と体積電荷に等しい。電束密度は、その源が自由電荷のみであるように定義される。

クラウジウス-モソッティの関係式

巨視的な誘電率は、各分子に作用する局所電場を考慮に入れることで、クラウジウス-モソッティの関係式を通じて微視的な分極率と分子数密度に結びつけられる。

Clinical relevance

誘電挙動は、コンデンサや絶縁体の設計、エレクトロニクスにおける高誘電率材料、材料や組織の誘電分光法、生体膜や高分子の電磁応答を支配する。

History

ファラデーは1830年代に誘電体の概念を導入し、材料が静電容量をどのように増加させるかを測定した。モソッティとクラウジウスは19世紀半ばに誘電率と分子分極率の関係を導き出し、この関係は後にローレンツの電子論によって基礎付けられた。

Key figures

• Michael Faraday
• Ottaviano-Fabrizio Mossotti
• Rudolf Clausius

Seminal works

• landau1984
• griffiths2017

Frequently asked questions

比誘電率とは何か？

それは相対誘電率であり、特定の自由電荷に対して材料が電場を真空と比較してどれだけ減少させるかを示す係数であり、 equivalently 静電容量をどれだけ増加させるかを示す係数である。

束縛電荷とは何か？

それらは、微視的な双極子の整列によって分極した誘電体の表面および内部に現れる実効的な電荷であり、材料中を自由に移動することはできない。