ఎలెక్ట్రిక్ ఫీల్డ్‌లో డైలెక్ట్రిక్స్

మానవాళికి తెలిసిన అన్ని పదార్థాలు విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని వివిధ స్థాయిలలో నిర్వహించగలవు: కొన్ని కరెంట్‌ను మెరుగ్గా నిర్వహిస్తాయి, మరికొన్ని అధ్వాన్నంగా ఉంటాయి, మరికొన్ని దానిని అస్సలు నిర్వహించవు. ఈ సామర్థ్యం ప్రకారం, పదార్థాలు మూడు ప్రధాన తరగతులుగా విభజించబడ్డాయి:

• విద్యుద్వాహకములు;

• సెమీకండక్టర్స్;

• కండక్టర్లు.

ఆదర్శ విద్యుద్వాహకము గణనీయమైన దూరాలకు వెళ్లగల ఛార్జీలను కలిగి ఉండదు, అనగా ఆదర్శ విద్యుద్వాహకములో ఉచిత ఛార్జీలు ఉండవు. అయితే, బాహ్య ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్‌లో ఉంచినప్పుడు, విద్యుద్వాహకము దానికి ప్రతిస్పందిస్తుంది. విద్యుద్వాహక ధ్రువణత సంభవిస్తుంది, అనగా, విద్యుత్ క్షేత్రం యొక్క చర్యలో, విద్యుద్వాహకములోని ఛార్జీలు స్థానభ్రంశం చెందుతాయి. ఈ లక్షణం, విద్యుద్వాహకము యొక్క ధ్రువణ సామర్ధ్యం, విద్యుద్వాహకము యొక్క ప్రాథమిక ఆస్తి.

అందువలన, విద్యుద్వాహకము యొక్క ధ్రువణత ధ్రువణత యొక్క మూడు భాగాలను కలిగి ఉంటుంది:

• ఎలక్ట్రానిక్;

• జోన్నా;

• ద్విధ్రువ (విన్యాసం).

ధ్రువణతలో, ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ చర్యలో ఛార్జీలు స్థానభ్రంశం చెందుతాయి. ఫలితంగా, ప్రతి పరమాణువు లేదా ప్రతి అణువు ఒక విద్యుత్ క్షణాన్ని సృష్టిస్తుంది P.

విద్యుద్వాహకము లోపల ఉన్న ద్విధ్రువాల ఛార్జీలు పరస్పరం భర్తీ చేయబడతాయి, అయితే విద్యుత్ క్షేత్రానికి మూలంగా పనిచేసే ఎలక్ట్రోడ్‌ల ప్రక్కనే ఉన్న బాహ్య ఉపరితలాలపై, సంబంధిత ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క ఛార్జ్‌కు వ్యతిరేక చిహ్నాన్ని కలిగి ఉన్న ఉపరితల సంబంధిత ఛార్జీలు కనిపిస్తాయి.

అనుబంధిత ఛార్జీల E' యొక్క ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ ఎల్లప్పుడూ బాహ్య ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ E0కి వ్యతిరేకంగా ఉంటుంది. విద్యుద్వాహకము లోపల E = E0 — E 'కి సమానమైన విద్యుత్ క్షేత్రం ఉందని ఇది మారుతుంది.

సమాంతర పైప్డ్ రూపంలో విద్యుద్వాహకముతో తయారు చేయబడిన శరీరాన్ని బలం E0 యొక్క ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్‌లో ఉంచినట్లయితే, దాని విద్యుత్ క్షణాన్ని సూత్రం ద్వారా లెక్కించవచ్చు: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, ఇక్కడ σ' అనుబంధిత ఛార్జీల ఉపరితల సాంద్రత, మరియు φ అనేది ప్రాంతం S యొక్క ముఖం యొక్క ఉపరితలం మరియు దానికి సాధారణ మధ్య కోణం.

అదనంగా, n - విద్యుద్వాహకము యొక్క యూనిట్ వాల్యూమ్‌కు అణువుల సాంద్రత మరియు P1 - ఒక అణువు యొక్క విద్యుత్ క్షణం, మేము ధ్రువణ వెక్టర్ యొక్క విలువను లెక్కించవచ్చు, అనగా విద్యుద్వాహకము యొక్క యూనిట్ వాల్యూమ్‌కు విద్యుత్ క్షణం.

ఇప్పుడు parallelepiped V = SlCos φ వాల్యూమ్‌ను భర్తీ చేయడం ద్వారా, ధ్రువణ ఛార్జీల ఉపరితల సాంద్రత ఉపరితలంపై ఇచ్చిన పాయింట్ వద్ద ధ్రువణ వెక్టార్ యొక్క సాధారణ భాగానికి సంఖ్యాపరంగా సమానంగా ఉంటుందని నిర్ధారించడం సులభం. తార్కిక పరిణామం ఏమిటంటే, విద్యుద్వాహకంలో ప్రేరేపించబడిన ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ E' అనువర్తిత బాహ్య ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ E యొక్క సాధారణ భాగాన్ని మాత్రమే ప్రభావితం చేస్తుంది.

వోల్టేజ్, ధ్రువణత మరియు వాక్యూమ్ విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం పరంగా అణువు యొక్క విద్యుత్ క్షణాన్ని వ్రాసిన తర్వాత, ధ్రువణ వెక్టార్‌ను ఇలా వ్రాయవచ్చు:

ఇక్కడ α అనేది ఇచ్చిన పదార్ధం యొక్క ఒక అణువు యొక్క ధ్రువణత, మరియు χ = nα అనేది విద్యుద్వాహక ససెప్టబిలిటీ, యూనిట్ వాల్యూమ్‌కు ధ్రువణాన్ని వర్ణించే మాక్రోస్కోపిక్ పరిమాణం. విద్యుద్వాహక గ్రహణశీలత పరిమాణం లేని పరిమాణం.

అందువల్ల, E0తో పోలిస్తే, ఫలితంగా ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ E మారుతుంది, సాధారణ భాగం మాత్రమే. ఫీల్డ్ యొక్క టాంజెన్షియల్ భాగం (ఉపరితలానికి టాంజెన్షియల్‌గా నిర్దేశించబడుతుంది) మారదు. ఫలితంగా, వెక్టర్ రూపంలో, ఫలిత ఫీల్డ్ బలం యొక్క విలువను వ్రాయవచ్చు:

విద్యుద్వాహకములో ఏర్పడే ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ యొక్క బలం యొక్క విలువ, మీడియం ε యొక్క విద్యుద్వాహక స్థిరాంకంతో విభజించబడిన బాహ్య ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ యొక్క బలానికి సమానం:

మాధ్యమం యొక్క విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం ε = 1 + χ విద్యుద్వాహకము యొక్క ప్రధాన లక్షణం మరియు దాని విద్యుత్ లక్షణాలను సూచిస్తుంది. ఈ లక్షణం యొక్క భౌతిక అర్ధం ఏమిటంటే, ఇచ్చిన విద్యుద్వాహక మాధ్యమంలో ఫీల్డ్ బలం E వాక్యూమ్‌లోని బలం E0 కంటే ఎన్ని రెట్లు తక్కువగా ఉందో చూపిస్తుంది:

ఒక మాధ్యమం నుండి మరొక మాధ్యమానికి వెళుతున్నప్పుడు, ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ యొక్క బలం తీవ్రంగా మారుతుంది మరియు బాల్ యొక్క విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం నుండి భిన్నమైన విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం ε2 ఉన్న మాధ్యమంలో విద్యుద్వాహక బంతి వ్యాసార్థంపై ఫీల్డ్ బలం యొక్క ఆధారపడటం యొక్క గ్రాఫ్ ε1 దీనిని ప్రతిబింబిస్తుంది:

ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్స్

1920 యాదృచ్ఛిక ధ్రువణ దృగ్విషయాన్ని కనుగొన్న సంవత్సరం. ఈ దృగ్విషయానికి గురయ్యే పదార్థాల సమూహాన్ని ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్స్ లేదా ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్స్ అంటారు. ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్స్ అనేది లక్షణాల యొక్క అనిసోట్రోపి ద్వారా వర్గీకరించబడిన వాస్తవం కారణంగా ఈ దృగ్విషయం సంభవిస్తుంది, దీనిలో ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్ దృగ్విషయాన్ని క్రిస్టల్ గొడ్డలిలో ఒకదాని వెంట మాత్రమే గమనించవచ్చు. ఐసోట్రోపిక్ డైలెక్ట్రిక్స్‌లో, అన్ని అణువులు ఒకే విధంగా ధ్రువపరచబడతాయి.అనిసోట్రోపిక్ కోసం - వేర్వేరు దిశల్లో, ధ్రువణ వెక్టర్స్ దిశలో భిన్నంగా ఉంటాయి.

ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్స్ ఒక నిర్దిష్ట ఉష్ణోగ్రత పరిధిలో విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం ε యొక్క అధిక విలువలతో విభిన్నంగా ఉంటాయి:

ఈ సందర్భంలో, ε విలువ నమూనాకు వర్తించే బాహ్య ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ E మరియు నమూనా చరిత్ర రెండింటిపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఇక్కడ విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం మరియు ఎలెక్ట్రిక్ మూమెంట్ అనేది శక్తి Eపై నాన్ లీనియర్‌గా ఆధారపడి ఉంటుంది, కాబట్టి ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్స్ నాన్ లీనియర్ డైలెక్ట్రిక్‌లకు చెందినవి.

ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్స్ క్యూరీ పాయింట్ ద్వారా వర్గీకరించబడతాయి, అనగా, ఒక నిర్దిష్ట ఉష్ణోగ్రత మరియు అంతకంటే ఎక్కువ, ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం అదృశ్యమవుతుంది. ఈ సందర్భంలో, రెండవ క్రమం యొక్క దశ పరివర్తన జరుగుతుంది, ఉదాహరణకు, బేరియం టైటనేట్ కోసం, క్యూరీ పాయింట్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత + 133 ° C, రోచెల్ ఉప్పు కోసం -18 ° C నుండి + 24 ° C వరకు, లిథియం నియోబేట్ కోసం + 1210 ° C.

విద్యుద్వాహకములు నాన్‌లీనియర్‌గా పోలరైజ్ చేయబడినందున, విద్యుద్వాహక హిస్టెరిసిస్ ఇక్కడ జరుగుతుంది. గ్రాఫ్ యొక్క పాయింట్ «a» వద్ద సంతృప్తత ఏర్పడుతుంది. Ec — బలవంతపు శక్తి, Pc — అవశేష ధ్రువణత. ధ్రువణ వక్రరేఖను హిస్టెరిసిస్ లూప్ అంటారు.

సంభావ్య శక్తి కనిష్టం వైపు ధోరణి కారణంగా, అలాగే వాటి నిర్మాణంలో అంతర్గతంగా ఉన్న లోపాల కారణంగా, ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్‌లు అంతర్గతంగా డొమైన్‌లుగా విభజించబడ్డాయి. డొమైన్‌లు వేర్వేరు ధ్రువణ దిశలను కలిగి ఉంటాయి మరియు బాహ్య క్షేత్రం లేనప్పుడు వాటి మొత్తం ద్విధ్రువ క్షణం దాదాపు సున్నాగా ఉంటుంది.

బాహ్య ఫీల్డ్ E యొక్క చర్యలో, డొమైన్‌ల సరిహద్దులు మార్చబడతాయి మరియు ఫీల్డ్‌కు సంబంధించి ధ్రువీకరించబడిన కొన్ని ప్రాంతాలు E ఫీల్డ్ దిశలో డొమైన్‌ల ధ్రువణానికి దోహదం చేస్తాయి.

అటువంటి నిర్మాణం యొక్క స్పష్టమైన ఉదాహరణ BaTiO3 యొక్క టెట్రాగోనల్ సవరణ.

తగినంత బలమైన ఫీల్డ్ E లో, క్రిస్టల్ సింగిల్-డొమైన్ అవుతుంది మరియు బాహ్య క్షేత్రాన్ని స్విచ్ ఆఫ్ చేసిన తర్వాత, ధ్రువణత మిగిలి ఉంటుంది (ఇది అవశేష ధ్రువణ Pc).

వ్యతిరేక చిహ్నంతో ప్రాంతాల వాల్యూమ్‌లను సమం చేయడానికి, నమూనాకు వ్యతిరేక దిశలో బాహ్య ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ Ec, బలవంతపు ఫీల్డ్‌ను వర్తింపజేయడం అవసరం.

ఎలక్ట్రీషియన్లు

విద్యుద్వాహకములలో, శాశ్వత అయస్కాంతాల యొక్క విద్యుత్ అనలాగ్లు ఉన్నాయి - ఎలక్ట్రోడ్లు. బాహ్య విద్యుత్ క్షేత్రం ఆపివేయబడిన తర్వాత కూడా చాలా కాలం పాటు ధ్రువణాన్ని నిర్వహించగల ప్రత్యేక విద్యుద్వాహకాలు ఇవి.

పైజోఎలెక్ట్రిక్స్

ప్రకృతిలో వాటిపై యాంత్రిక ప్రభావంతో ధ్రువపరచబడిన విద్యుద్వాహకములు ఉన్నాయి. యాంత్రిక వైకల్యం ద్వారా క్రిస్టల్ ధ్రువపరచబడుతుంది. ఈ దృగ్విషయాన్ని పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం అంటారు. దీనిని 1880లో సోదరులు జాక్వెస్ మరియు పియరీ క్యూరీ ప్రారంభించారు.

ముగింపు క్రింది విధంగా ఉంది. పైజోఎలెక్ట్రిక్ క్రిస్టల్ యొక్క ఉపరితలంపై ఉన్న మెటల్ ఎలక్ట్రోడ్ల వద్ద, క్రిస్టల్ యొక్క వైకల్యం సమయంలో సంభావ్య వ్యత్యాసం ఏర్పడుతుంది. ఎలక్ట్రోడ్లు వైర్ ద్వారా మూసివేయబడితే, అప్పుడు విద్యుత్ ప్రవాహం సర్క్యూట్లో కనిపిస్తుంది.

రివర్స్ పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం కూడా సాధ్యమే - క్రిస్టల్ యొక్క ధ్రువణత దాని వైకల్పనానికి దారితీస్తుంది.పైజోఎలెక్ట్రిక్ క్రిస్టల్‌కు వర్తించే ఎలక్ట్రోడ్‌లకు వోల్టేజ్ వర్తించినప్పుడు, క్రిస్టల్ యొక్క యాంత్రిక వైకల్యం ఏర్పడుతుంది; ఇది అనువర్తిత ఫీల్డ్ బలం E0కి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. ప్రస్తుతం, సైన్స్‌కు 1800 కంటే ఎక్కువ రకాల పైజోఎలెక్ట్రిక్‌లు తెలుసు. ధ్రువ దశలోని అన్ని ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్‌లు పైజోఎలెక్ట్రిక్ లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తాయి.

పైరోఎలెక్ట్రిక్స్

వేడిచేసినప్పుడు లేదా చల్లబడినప్పుడు కొన్ని విద్యుద్వాహక స్ఫటికాలు ధ్రువణమవుతాయి, ఈ దృగ్విషయాన్ని పైరోఎలెక్ట్రిసిటీ అంటారు.ఉదాహరణకు, పైరోఎలెక్ట్రిక్ నమూనా యొక్క ఒక చివర వేడిచేసినప్పుడు ప్రతికూలంగా ఛార్జ్ చేయబడుతుంది, మరొకటి సానుకూలంగా ఛార్జ్ చేయబడుతుంది. మరియు అది చల్లబడినప్పుడు, వేడిచేసినప్పుడు ప్రతికూలంగా ఛార్జ్ చేయబడిన ముగింపు అది చల్లబడినప్పుడు ధనాత్మకంగా ఛార్జ్ అవుతుంది. సహజంగానే, ఈ దృగ్విషయం దాని ఉష్ణోగ్రతలో మార్పుతో ఒక పదార్ధం యొక్క ప్రారంభ ధ్రువణతలో మార్పుకు సంబంధించినది.

ప్రతి పైరోఎలెక్ట్రిక్ ఉంది పైజోఎలెక్ట్రిక్ లక్షణాలు, కానీ ప్రతి పైజోఎలెక్ట్రిక్ పైరోఎలెక్ట్రిక్ కాదు. కొన్ని పైరోఎలెక్ట్రిక్‌లు ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్ లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి, అనగా అవి యాదృచ్ఛిక ధ్రువణాన్ని కలిగి ఉంటాయి.

విద్యుత్ స్థానభ్రంశం

విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం యొక్క విభిన్న విలువలతో రెండు మాధ్యమాల సరిహద్దు వద్ద, ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ E యొక్క బలం ε లో పదునైన మార్పుల స్థానంలో తీవ్రంగా మారుతుంది.

ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్స్లో గణనలను సరళీకృతం చేయడానికి, ఎలక్ట్రిక్ డిస్ప్లేస్మెంట్ వెక్టర్ లేదా ఎలక్ట్రిక్ ఇండక్షన్ D ప్రవేశపెట్టబడింది.

E1ε1 = E2ε2 కాబట్టి, E1ε1ε0 = E2ε2ε0, అంటే:

అంటే, ఒక పర్యావరణం నుండి మరొక పర్యావరణానికి పరివర్తన సమయంలో, విద్యుత్ స్థానభ్రంశం వెక్టర్ మారదు, అంటే, విద్యుత్ ప్రేరణ. ఇది చిత్రంలో స్పష్టంగా చూపబడింది:

వాక్యూమ్‌లో పాయింట్ ఛార్జ్ కోసం, విద్యుత్ స్థానభ్రంశం వెక్టర్:

అయస్కాంత క్షేత్రాల కోసం మాగ్నెటిక్ ఫ్లక్స్ వలె, ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్స్ విద్యుత్ స్థానభ్రంశం వెక్టర్ యొక్క ప్రవాహాన్ని ఉపయోగిస్తుంది.

కాబట్టి, ఒక ఏకరీతి ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ కోసం, విద్యుత్ స్థానభ్రంశం వెక్టర్ D యొక్క పంక్తులు S ప్రాంతాన్ని α కోణంలో సాధారణ స్థాయికి దాటినప్పుడు, మనం వ్రాయవచ్చు:

వెక్టర్ E కోసం ఓస్ట్రోగ్రాడ్‌స్కీ-గాస్ సిద్ధాంతం వెక్టర్ D కోసం సంబంధిత సిద్ధాంతాన్ని పొందేందుకు అనుమతిస్తుంది.

కాబట్టి, విద్యుత్ స్థానభ్రంశం వెక్టర్ D కోసం ఓస్ట్రోగ్రాడ్‌స్కీ-గాస్ సిద్ధాంతం ఇలా ఉంటుంది:

ఏదైనా సంవృత ఉపరితలం ద్వారా వెక్టర్ D యొక్క ఫ్లక్స్ ఉచిత ఛార్జీల ద్వారా మాత్రమే నిర్ణయించబడుతుంది, ఆ ఉపరితలంతో పరిమితం చేయబడిన వాల్యూమ్ లోపల ఉన్న అన్ని ఛార్జీల ద్వారా కాదు.

ఉదాహరణగా, విభిన్న εతో ఉన్న రెండు అనంతంగా విస్తరించిన డైలెక్ట్రిక్‌లతో మరియు బాహ్య ఫీల్డ్ E ద్వారా చొచ్చుకుపోయే రెండు మాధ్యమాల మధ్య ఇంటర్‌ఫేస్‌తో మేము సమస్యను పరిగణించవచ్చు.

ε2> ε1 అయితే, E1n / E2n = ε2 / ε1 మరియు E1t = E2t అని పరిగణనలోకి తీసుకుంటే, వెక్టర్ E యొక్క సాధారణ భాగం మాత్రమే మారుతుంది కాబట్టి, వెక్టర్ E యొక్క దిశ మాత్రమే మారుతుంది.

మేము వెక్టర్ తీవ్రత E యొక్క వక్రీభవన నియమాన్ని పొందాము.

వెక్టర్ D కోసం వక్రీభవన చట్టం D = εε0E వలె ఉంటుంది మరియు ఇది చిత్రంలో చూపబడింది: