Диэлектрики и поляризация

Диэлектрики поляризуются в электрическом поле, создавая связанные заряды, которые уменьшают поле и увеличивают ёмкость.

Definition

Диэлектрик — это изолятор, чьи связанные заряды слегка смещаются в приложенном электрическом поле, вызывая поляризацию; результирующие связанные заряды, а также поле смещения, восприимчивость и диэлектрическая проницаемость описывают, как материал изменяет поле внутри себя.

Scope

Эта тема охватывает поляризацию диэлектрических материалов, связанные поверхностные и объёмные заряды, электрическое смещение, электрическую восприимчивость и диэлектрическую проницаемость, связь между микроскопической поляризуемостью и макроскопической диэлектрической проницаемостью, энергию в диэлектриках и граничные условия на диэлектрических границах раздела. Она включает линейные диэлектрики и описывает сегнетоэлектрическое поведение, в то время как детальные механизмы твёрдого тела относятся к физике конденсированного состояния.

Core questions

• Как диэлектрик поляризуется в поле?
• Как связанные заряды и поле смещения связаны с поляризацией?
• Что связывает микроскопическую поляризуемость с макроскопической диэлектрической проницаемостью?

Key concepts

• поляризация
• связанный заряд
• поле смещения D
• электрическая восприимчивость
• диэлектрическая проницаемость
• диэлектрическая постоянная
• поляризуемость
• сегнетоэлектричество

Key theories

Поляризация и связанные заряды

Приложенное поле индуцирует выровненные диполи, чистый эффект которых эквивалентен связанным поверхностным и объёмным зарядам; поле смещения определяется таким образом, что его источниками являются только свободные заряды.

Соотношение Клаузиуса-Моссотти

Макроскопическая диэлектрическая проницаемость связана с микроскопической поляризуемостью и числовой плотностью молекул через соотношение Клаузиуса-Моссотти, учитывающее локальное поле, действующее на каждую молекулу.

Clinical relevance

Диэлектрическое поведение определяет конструкцию конденсаторов и изоляторов, высокопроницаемые материалы в электронике, диэлектрическую спектроскопию материалов и тканей, а также электромагнитный отклик биологических мембран и макромолекул.

History

Фарадей ввёл концепцию диэлектрика и измерил, как материалы увеличивают ёмкость, в 1830-х годах. Моссотти и Клаузиус связали диэлектрическую проницаемость с молекулярной поляризуемостью в середине XIX века, что позднее было обосновано электронной теорией Лоренца.

Key figures

• Michael Faraday
• Ottaviano-Fabrizio Mossotti
• Rudolf Clausius

Seminal works

• landau1984
• griffiths2017

Frequently asked questions

Что такое диэлектрическая постоянная?

Это относительная диэлектрическая проницаемость, коэффициент, на который материал уменьшает электрическое поле для данного свободного заряда по сравнению с вакуумом, и эквивалентно коэффициент, на который он увеличивает ёмкость.

Что такое связанные заряды?

Это эффективные заряды, которые появляются на поверхности и внутри поляризованного диэлектрика из-за выравнивания микроскопических диполей; они не могут свободно перемещаться по материалу.