Language
Country/Area
No result found
ثنائي القطب الكهربائي المخفي: هل تعرف كيف يتم تعريف كثافة الاستقطاب؟
في الكهرومغناطيسية الكلاسيكية، كثافة الاستقطاب هي المجال المتجه الذي يصف عزم ثنائي القطب الكهربائي الدائم أو المستحث داخل مادة عازلة. عندما يتم وضع مادة عازلة في مجال كهربائي خارجي، تكتسب جزيئاتها عزم ثنائي القطب الكهربائي، المعروف باسم الاستقطاب. بالنسبة لعينة مادة عازلة محددة، يمكن تعريف الاستقطاب الكهربائي على أنه نسبة عزم ثنائي القطب الكهربائي إلى الحجم، أي كثافة الاستقطاب.
يتم تمثيل كثافة الاستقطاب رياضيًا بـ P ويتم التعبير عنها بوحدات النظام الدولي (SI) ككولوم لكل متر مربع (C/m²). فهو لا يصف فقط استجابة المادة للمجال الكهربائي المطبق، بل يمكن استخدامه أيضًا لحساب القوى الناتجة عن هذا التفاعل.
عندما يؤثر مجال كهربائي خارجي على مادة عازلة، يتم إزاحة العناصر المشحونة الموجودة داخل المادة. ومن المهم أن نلاحظ أن هذه العناصر المشحونة النازحة لا تتحرك بحرية ولكنها مرتبطة بالذرات أو الجزيئات الموجودة داخل المادة. يتم إزاحة العناصر ذات الشحنة الموجبة في اتجاه المجال الكهربائي، بينما يتم إزاحة العناصر ذات الشحنة السالبة في الاتجاه المعاكس، بحيث يتطور عزم ثنائي القطب الكهربائي حتى لو بقي الجزيء محايدًا.
عند النظر إلى عنصر حجم صغير ΔV داخل مادة عازلة، إذا كان عنصر الحجم يحمل عزم ثنائي القطب الكهربائي Δp، فيمكننا تحديد كثافة الاستقطاب P:
P =
Δp/ΔV
بشكل عام، يتغير عزم ثنائي القطب الكهربائي نقطة تلو الأخرى داخل المادة العازلة. ولذلك، بالنسبة لمادة عازلة ذات حجم متناهٍ في الصغر dV، يمكن أيضًا التعبير عن كثافة استقطابها P على النحو التالي:
P =
dp/dV
تسمى الشحنة الصافية التي تحدث بسبب عملية الاستقطاب بالشحنة المقيدة وعادةً ما تسمى Qb. يتم اعتماد هذا التعريف لعزم ثنائي القطب الكهربائي كوحدة حجم على نطاق واسع، على الرغم من أنه في بعض الحالات يمكن أن يؤدي إلى غموض ومفارقات.
تعابير أخرى للاستقطاب
بالنظر إلى الحجم dV داخل مادة عازلة، بسبب الاستقطاب، فإن الشحنة المقيدة الموجبة dqb⁺ ستكون نسبة إلى الشحنة المقيدة السالبة dqb⁻< /code> code> الإزاحة، مما يشكل عزم ثنائي القطب الكهربائي:
dp = dqb * d
بالتعويض بهذا التعبير في تعريف كثافة الاستقطاب نحصل على:
P =
dqb/dV
بما أن dqb هو الشحنة المرتبطة بالحجم dV، فيمكن التعبير عنه بـ ρb * dV. ولذلك، فإن كثافة الاستقطاب ترتبط مباشرة بكثافة الشحنة داخل المادة.
قانون جاوس وكثافة الاستقطاب
بالنسبة للشحنة المقيدة Qb في الحجم المغلق V، فهي مرتبطة بتدفق الاستقطاب P، أي
-Qb = Φ(P)
وهذا يعني أنه في ظل ظروف معينة، يمكن التعبير عن العلاقة بين الاستقطاب والمجال الكهربائي الناتج عن المادة بواسطة قانون غاوس.
العلاقة بين كثافة الاستقطاب والمجال الكهربائي
في المواد العازلة المتناحية المنتظمة والخطية وغير المشتتة، توجد علاقة تناسب بين الاستقطاب والمجال الكهربائي E:
P =
χ * ε₀ * E
حيث ε₀ هو الثابت الكهربائي وχ هي الطاقة الكامنة للوسط. تظهر مثل هذه العلاقة أن كثافة الاستقطاب يمكن أن ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالتغيرات في المجال الكهربائي الخارجي في معظم الحالات.
استقطاب المواد العازلة غير الخطية
عندما لا يكون الاستقطاب خطيًا مع المجال الكهربائي، تسمى المادة مادة عازلة غير خطية. في هذا الوقت، يمكن التعبير عن كثافة الاستقطاب P من خلال توسيع تايلور للمجال الكهربائي E، مما يزيد من تحسين العلاقة بين الاستجابتين الثانية والثالثة:
P =
Σχ(1) * E + Σχ(2) * E² + Σχ(3) * E³ + …
ونتيجة لذلك، قد تظهر المواد سلوكيات استقطاب أكثر تعقيدًا عند مواجهة مجالات كهربائية مختلفة.
مع تغير شدة المجال الكهربائي والوقت، لا يسعنا إلا أن نتساءل، ما مدى تأثير كثافة الاستقطاب في مناقشة علم المواد والكهرومغناطيسية؟
