Language
Country/Area
No result found
Lưỡng cực điện ẩn: Bạn có biết mật độ phân cực được xác định như thế nào không?
Trong điện từ cổ điển, mật độ phân cực là trường vectơ mô tả mômen lưỡng cực điện vĩnh viễn hoặc cảm ứng bên trong vật liệu điện môi. Khi một vật liệu điện môi được đặt trong điện trường ngoài, các phân tử của nó thu được mômen lưỡng cực điện, gọi là sự phân cực. Đối với một mẫu vật liệu điện môi cụ thể, độ phân cực điện có thể được định nghĩa là tỷ số giữa mômen lưỡng cực điện và thể tích, tức là mật độ phân cực.
Mật độ phân cực được biểu thị bằng toán học là P và được biểu thị bằng đơn vị SI là coulomb trên mét vuông (C/m2). Nó không chỉ mô tả phản ứng của vật liệu trước điện trường đặt vào mà còn có thể được sử dụng để tính toán các lực tạo ra bởi sự tương tác này.
Khi có điện trường ngoài tác dụng lên vật liệu điện môi, các phần tử tích điện bên trong vật liệu sẽ dịch chuyển. Điều quan trọng cần lưu ý là các phần tử tích điện bị dịch chuyển này không di chuyển tự do mà bị ràng buộc với các nguyên tử hoặc phân tử bên trong vật liệu. Các phần tử tích điện dương bị dịch chuyển theo hướng của điện trường, trong khi các phần tử tích điện âm bị dịch chuyển theo hướng ngược lại, do đó mômen lưỡng cực điện phát triển ngay cả khi phân tử vẫn trung hòa.
Khi xem xét phần tử khối nhỏ ΔV bên trong vật liệu điện môi, nếu phần tử khối mang mômen lưỡng cực điện Δp, chúng ta có thể xác định Mật độ phân cực P:
P =
Δp/ΔV
Nói chung, mômen lưỡng cực điện Δp thay đổi từng điểm một bên trong vật liệu điện môi. Do đó, đối với vật liệu điện môi có thể tích cực nhỏ dV, mật độ phân cực P của nó cũng có thể được biểu thị bằng:
P =
dp/dV
Điện tích tổng cộng xuất hiện do quá trình phân cực được gọi là điện tích liên kết và thường được gắn nhãn Qb. Định nghĩa về mô men lưỡng cực điện như đơn vị thể tích được áp dụng rộng rãi, mặc dù trong một số trường hợp, nó có thể dẫn đến sự mơ hồ và nghịch lý.
Các biểu thức phân cực khác
Xem xét một thể tích dV bên trong vật liệu điện môi, do sự phân cực, điện tích liên kết dương dqb⁺ sẽ liên quan đến điện tích liên kết âm dqb⁻< /code> code> độ dịch chuyển, tạo thành mô men lưỡng cực điện:
dp = dqb * d
Thay biểu thức này vào định nghĩa mật độ phân cực, ta có:
P =
dqb/dV
Vì dqb là điện tích giới hạn trong thể tích dV nên nó có thể được biểu thị dưới dạng ρb * dV. Do đó, mật độ phân cực liên quan trực tiếp đến mật độ điện tích bên trong vật liệu.
Định luật Gauss và mật độ phân cực
Đối với điện tích liên kết Qb trong một tập kín V, nó liên quan đến dòng phân cực P, tức là
-Qb = Φ(P)
Điều này có nghĩa là, trong những trường hợp nhất định, mối quan hệ giữa độ phân cực và điện trường do vật liệu tạo ra có thể được biểu thị bằng định luật Gauss.
Mối quan hệ giữa mật độ phân cực và điện trường
Trong vật liệu điện môi đẳng hướng đồng nhất, tuyến tính, không phân tán có mối quan hệ tỷ lệ giữa độ phân cực và điện trường E:
P =
χ * ε₀ * E
Trong đó ε₀ là hằng số điện và χ là thế năng của môi trường. Mối quan hệ như vậy cho thấy mật độ phân cực có thể liên quan chặt chẽ đến những thay đổi của điện trường ngoài trong hầu hết các trường hợp.
Sự phân cực của vật liệu điện môi phi tuyến
Khi sự phân cực không còn tuyến tính với điện trường thì vật liệu đó được gọi là vật liệu điện môi phi tuyến. Lúc này, mật độ phân cực P có thể được biểu thị bằng sự giãn nở Taylor của điện trường E, điều này làm rõ hơn mối quan hệ giữa phản ứng thứ hai và thứ ba:
P =
Σχ(1) * E + Σχ(2) * E² + Σχ(3) * E³ + …
Kết quả là, vật liệu có thể thể hiện hành vi phân cực phức tạp hơn khi tiếp xúc với các điện trường khác nhau.
Khi cường độ điện trường và thời gian thay đổi, chúng ta không thể không tự hỏi, mật độ phân cực trong cuộc thảo luận về khoa học vật liệu và điện từ có ảnh hưởng sâu rộng đến mức nào?
