Language
Country/Area
No result found
Скрытый электрический диполь: знаете ли вы, как определяется плотность поляризации?
В классическом электромагнетизме плотность поляризации — это векторное поле, которое описывает постоянный или индуцированный электрический дипольный момент внутри диэлектрического материала. Когда диэлектрический материал помещается во внешнее электрическое поле, его молекулы приобретают электрический дипольный момент, известный как поляризация. Для конкретного образца диэлектрического материала электрическую поляризацию можно определить как отношение электрического дипольного момента к объему, то есть плотности поляризации.
Плотность поляризации математически обозначается как P и выражается в единицах СИ — кулонах на квадратный метр (Кл/м²). Он не только описывает реакцию материала на приложенное электрическое поле, но также может использоваться для расчета сил, возникающих в результате этого взаимодействия.
Когда внешнее электрическое поле действует на диэлектрический материал, заряженные элементы внутри материала смещаются. Важно отметить, что эти смещенные заряженные элементы не движутся свободно, а связаны с атомами или молекулами внутри материала. Положительно заряженные элементы смещаются в направлении электрического поля, а отрицательно заряженные — в противоположном, так что электрический дипольный момент развивается, даже если молекула остается нейтральной.
При рассмотрении крошечного элемента объема ΔV внутри диэлектрического материала, если элемент объема несет электрический дипольный момент Δp, мы можем определить плотность поляризации P:
P =
Δp/ΔV
Вообще говоря, электрический дипольный момент Δp меняется по точкам внутри диэлектрического материала. Следовательно, для диэлектрического материала с бесконечно малым объемом dV его плотность поляризации P также может быть выражена как:
P =
dp/dV
Чистый заряд, возникающий в результате процесса поляризации, называется связанным зарядом и обычно обозначается Qb. Такое определение электрического дипольного момента как единицы объема широко распространено, хотя в некоторых случаях оно может приводить к двусмысленностям и парадоксам.
Другие проявления поляризации
Учитывая объем dV внутри диэлектрического материала, из-за поляризации положительный связанный заряд dqb⁺ будет относительно отрицательного связанного заряда dqb⁻< /code> code> смещение, образующее электрический дипольный момент:
dp = dqb * d
Подставив это выражение в определение плотности поляризации, получим:
P =
dqb/dV
Поскольку dqb — это заряд, связанный внутри объема dV, его можно выразить как ρb * dV. Следовательно, плотность поляризации напрямую связана с плотностью заряда внутри материала.
Закон Гаусса и плотность поляризации
Для связанного заряда Qb в замкнутом объеме V он связан с потоком поляризации P, то есть
-Qb = Φ(P)
Это означает, что при определенных обстоятельствах связь между поляризацией и электрическим полем, создаваемым материалом, может быть выражена законом Гаусса.
Взаимосвязь между плотностью поляризации и электрическим полем
В однородных, линейных, недисперсионных изотропных диэлектрических материалах существует пропорциональная связь между поляризацией и электрическим полем E:
P =
χ * ε₀ * E
Где ε₀ — электрическая постоянная, а χ — потенциальная энергия среды. Такая зависимость показывает, что плотность поляризации в большинстве случаев может быть тесно связана с изменениями внешнего электрического поля.
Поляризация нелинейных диэлектрических материалов
Когда поляризация больше не является линейной с электрическим полем, материал называется нелинейным диэлектрическим материалом. В это время плотность поляризации P может быть выражена через разложение Тейлора электрического поля E, что еще больше уточняет связь между вторым и третьим откликами:
P =
Σχ(1) * E + Σχ(2) * E² + Σχ(3) * E³ + …
В результате материалы могут проявлять более сложное поведение поляризации при воздействии различных электрических полей.
Поскольку интенсивность электрического поля и время меняются, мы не можем не задаться вопросом, насколько далеко идущей является плотность поляризации в обсуждении материаловедения и электромагнетизма?
