Language
Country/Area
No result found
Dipol Listrik Tersembunyi: Tahukah Anda bagaimana kerapatan polarisasi didefinisikan?
Dalam elektromagnetisme klasik, kerapatan polarisasi adalah medan vektor yang menggambarkan momen dipol listrik permanen atau terinduksi di dalam bahan dielektrik. Ketika bahan dielektrik ditempatkan dalam medan listrik eksternal, molekulnya memperoleh momen dipol listrik, yang dikenal sebagai polarisasi. Untuk sampel bahan dielektrik tertentu, polarisasi listrik dapat didefinisikan sebagai rasio momen dipol listrik terhadap volume, yaitu kerapatan polarisasi.
Kerapatan polarisasi secara matematis direpresentasikan sebagai P dan dinyatakan dalam satuan SI sebagai coulomb per meter persegi (C/m²). Kerapatan ini tidak hanya menggambarkan respons bahan terhadap medan listrik yang diberikan, tetapi juga dapat digunakan untuk menghitung gaya yang dihasilkan oleh interaksi ini.
Ketika medan listrik eksternal bekerja pada bahan dielektrik, elemen bermuatan di dalam bahan tersebut akan tergeser. Penting untuk dicatat bahwa elemen bermuatan yang tergeser ini tidak bergerak bebas tetapi terikat pada atom atau molekul di dalam bahan tersebut. Elemen bermuatan positif dipindahkan ke arah medan listrik, sedangkan elemen bermuatan negatif dipindahkan ke arah yang berlawanan, sehingga momen dipol listrik berkembang bahkan jika molekulnya tetap netral.
Ketika mempertimbangkan elemen volume kecil ΔV di dalam bahan dielektrik, jika elemen volume tersebut membawa momen dipol listrik Δp, kita dapat mendefinisikan Kepadatan Polarisasi P:
P =
Δp/ΔV
Secara umum, momen dipol listrik Δp berubah titik demi titik di dalam bahan dielektrik. Oleh karena itu, untuk bahan dielektrik dengan volume sangat kecil dV, kerapatan polarisasinya P juga dapat dinyatakan sebagai:
P =
dp/dV
Muatan netto yang terjadi karena proses polarisasi disebut muatan terikat dan biasanya diberi label Qb. Definisi momen dipol listrik sebagai satuan volume ini diterima secara luas, meskipun dalam beberapa kasus dapat menimbulkan ambiguitas dan paradoks.
Ekspresi polarisasi lainnya
Jika mempertimbangkan volume dV di dalam material dielektrik, karena polarisasi, muatan terikat positif dqb⁺ akan relatif terhadap muatan terikat negatif dqb⁻, yang membentuk momen dipol listrik:
dp = dqb * d
Dengan mensubstitusikan ekspresi ini ke dalam definisi kerapatan polarisasi, kita dapat memperoleh:
P =
dqb/dV
Karena dqb adalah muatan terikat dalam volume dV, maka dapat dinyatakan sebagai ρb * dV. Oleh karena itu, kerapatan polarisasi berhubungan langsung dengan kerapatan muatan di dalam material.
Hukum Gauss dan kerapatan polarisasi
Untuk muatan terikat Qb dalam volume tertutup V, hal tersebut berhubungan dengan fluks polarisasi P, yaitu,
-Qb = Φ(P)
Ini berarti bahwa, dalam keadaan tertentu, hubungan antara polarisasi dan medan listrik yang dihasilkan oleh material dapat dinyatakan dengan hukum Gauss.
Hubungan antara kerapatan polarisasi dan medan listrik
Pada material dielektrik isotropik nondispersif, linier, dan seragam, terdapat hubungan proporsional antara polarisasi dan medan listrik E:
P =
χ * ε₀ * E
Di mana ε₀ adalah konstanta listrik dan χ adalah energi potensial medium. Hubungan seperti itu menunjukkan bahwa kerapatan polarisasi dapat dikaitkan erat dengan perubahan medan listrik eksternal dalam sebagian besar kasus.
Polarisasi material dielektrik nonlinier
Ketika polarisasi tidak lagi linier dengan medan listrik, material tersebut disebut material dielektrik nonlinier. Pada saat ini, kerapatan polarisasi P dapat dinyatakan dengan perluasan Taylor dari medan listrik E, yang selanjutnya menyempurnakan hubungan antara respons kedua dan ketiga:
P =
Σχ(1) * E + Σχ(2) * E² + Σχ(3) * E³ + …
Akibatnya, material dapat menunjukkan perilaku polarisasi yang lebih kompleks saat menghadapi medan listrik yang berbeda.
Seiring dengan perubahan intensitas medan listrik dan waktu, kita jadi bertanya-tanya, seberapa jauh jangkauan kerapatan polarisasi dalam pembahasan ilmu material dan elektromagnetisme?
