Language
Country/Area
No result found
숨겨진 전기 쌍극자: 편극 밀도가 어떻게 정의되는지 아십니까?
고전 전자기학에서 분극 밀도는 유전체 내부의 영구 또는 유도 전기 쌍극자 모멘트를 설명하는 벡터장입니다. 유전체 물질이 외부 전기장에 놓이면 그 분자는 분극이라고 알려진 전기 쌍극자 모멘트를 얻습니다. 특정 유전체 재료 샘플의 경우 전기 분극은 부피에 대한 전기 쌍극자 모멘트의 비율, 즉 분극 밀도로 정의할 수 있습니다.
편극 밀도는 수학적으로 P로 표시되며 SI 단위로는 평방미터당 쿨롱(C/m²)으로 표시됩니다. 이는 적용된 전기장에 대한 재료의 반응을 설명할 뿐만 아니라 이러한 상호 작용에 의해 생성된 힘을 계산하는 데에도 사용할 수 있습니다.
외부 전기장이 유전체 재료에 작용하면 재료 내부의 하전된 원소가 변위됩니다. 이렇게 변위된 전하 원소는 자유롭게 움직이지 않고 물질 내의 원자나 분자에 묶여 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 양전하를 띤 원소는 전기장의 방향으로 이동하고, 음전하를 띤 원소는 반대 방향으로 이동하므로 분자가 중성을 유지하더라도 전기 쌍극자 모멘트가 발생합니다.
유전체 물질 내부의 작은 부피 요소 ΔV를 고려할 때 부피 요소가 전기 쌍극자 모멘트 Δp를 전달하는 경우 분극 밀도 P를 정의할 수 있습니다.
P =
Δp/ΔV
일반적으로 전기 쌍극자 모멘트 Δp는 유전체 내부에서 지점별로 변경됩니다. 따라서 무한한 부피 dV를 갖는 유전체 재료의 경우 극성 밀도 P는 다음과 같이 표현될 수도 있습니다.
P =
dp/dV
분극 과정으로 인해 발생하는 순 전하는 결합 전하라고 하며 일반적으로 Qb로 표시됩니다. 전기 쌍극자 모멘트를 단위 부피로 정의하는 것은 어떤 경우에는 모호함과 역설을 초래할 수 있지만 널리 채택됩니다.
편극의 다른 표현
유전체 물질 내부의 부피 dV를 고려하면 분극으로 인해 양의 결합 전하 dqb⁺는 음의 결합 전하 dqb⁻<에 상대적입니다. /code> code> 변위, 전기 쌍극자 모멘트 형성:
dp = dqb * d
이 식을 편광 밀도의 정의로 대체하면 다음을 얻을 수 있습니다.
P =
dqb/dV
dqb는 dV 볼륨 내 전하 경계이므로 ρb * dV로 표현할 수 있습니다. 따라서 분극 밀도는 물질 내부의 전하 밀도와 직접적인 관련이 있습니다.
가우스 법칙과 편광 밀도
폐쇄된 부피 V의 결합 전하 Qb의 경우 이는 분극 플럭스 P와 관련이 있습니다. 즉,
-Qb = Φ(P)
이는 특정 상황에서 물질이 생성하는 분극과 전기장의 관계가 가우스 법칙으로 표현될 수 있음을 의미합니다.
분극밀도와 전기장의 관계
균일한 선형 비분산 등방성 유전체 재료에는 분극과 전기장 E 사이에 비례 관계가 있습니다.
P =
χ * ε₀ * E
여기서 ε₀는 전기 상수이고 χ는 매체의 위치 에너지입니다. 이러한 관계는 대부분의 경우 분극밀도가 외부 전기장의 변화와 밀접한 관련이 있음을 보여준다.
비선형 유전물질의 분극
분극이 더 이상 전기장에 대해 선형이 아닌 경우 해당 물질을 비선형 유전 물질이라고 합니다. 이때, 분극 밀도 P는 전기장 E의 테일러 확장으로 표현될 수 있으며, 이는 두 번째와 세 번째 응답 간의 관계를 더욱 구체화합니다.
P =
Σχ(1) * E + Σχ(2) * E² + Σχ(3) * E³ + …
결과적으로 재료는 서로 다른 전기장에 직면할 때 더 복잡한 분극 거동을 나타낼 수 있습니다.
전기장의 세기와 시간이 변하면서 재료과학과 전자기학의 논의에서 분극밀도는 얼마나 멀리까지 영향을 미치는지 궁금하지 않을 수 없습니다.
