Διηλεκτρική πόλωση

Η πόλωση είναι η επαγωγή ενός ηλεκτρικού πεδίου ή η αναδιάταξη φορτίων μέσα σε ένα διηλεκτρικό υλικό ή έναν μονωτή όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο σε αυτό. Τα φορτία είναι διατεταγμένα έτσι ώστε τα θετικά φορτία να έλκονται προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο και τα αρνητικά φορτία να έλκονται προς το θετικό ηλεκτρόδιο. Αυτό συμβαίνει επειδή τα φορτία αντιπάθειας ελκύουν το ένα το άλλο και τα όμοια φορτία απωθούν. Καθώς τα φορτία σε έναν μονωτήρα είναι ακίνητα, η πόλωση προκαλεί την αποθήκευση ενέργειας σε έναν πυκνωτή όταν υπάρχει διηλεκτρικό υλικό.

Ένα υλικό με μεγαλύτερη πολωτική ισχύ μπορεί να αποθηκεύσει περισσότερα φορτία. Ως εκ τούτου, το φορτίο και η ενέργεια που αποθηκεύονται σε έναν πυκνωτή θα είναι επίσης υψηλά εάν χρησιμοποιήσουμε αυτό το υλικό ως διηλεκτρικό.

Βαθμός πόλωσης

Ο βαθμός πόλωσης ενός υλικού εξαρτάται από το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο E και τη διηλεκτρική σταθερά K. Η σχέση μεταξύ πόλωσης, διηλεκτρικής σταθεράς και ηλεκτρικού πεδίου αναπαρίσταται ως

P=ℇ0(K-1)E

Η συνολική πόλωση ενός διηλεκτρικού είναι το άθροισμα της ηλεκτρονικής μετατόπισης Pe, του μόνιμου διπόλου προσανατολισμού Pd, της ιοντικής μετατόπισης Pi και της μετατόπισης του διαστημικού φορτίου Ps.

            Pt=Pe + Pi + Pd + Ps

Τι είναι το Dielectric;

Τα διηλεκτρικά είναι μη αγώγιμα ή μονωτικά υλικά. Είναι οι κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Καθώς τα φορτία σε ένα διηλεκτρικό είναι ακίνητα, μπορούν να διατηρήσουν τα φορτία όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό πεδίο και μπορεί να πολωθούν. Μερικά από τα παραδείγματα διηλεκτρικών υλικών είναι η μαρμαρυγία, το γυαλί, τα πολυμερή, η πορσελάνη και τα οξείδια μετάλλων. Ο ξηρός αέρας είναι επίσης διηλεκτρικό.

Ταξινόμηση μορίων

Πολικά μόρια:

Τα πολικά μόρια έχουν ένα άκρο ηλεκτρικά θετικό και ένα άλλο ηλεκτρικά αρνητικό. Αυτό συμβαίνει όταν ένας ομοιοπολικός δεσμός συνδυάζει δύο μόρια διαφοράς ηλεκτραρνητικότητας. Τα μόρια σχηματίζουν πόλους, θετικούς και αρνητικούς πόλους. Αυτά τα μόρια έχουν διπολική ροπή και ευθυγραμμίζονται όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο—για παράδειγμα, μόρια νερού, μόρια HF, μόρια HCl κ.λπ. 

Μη πολικά μόρια:

Αυτά τα μόρια σχηματίζονται όταν δεν υπάρχει διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ των συνδυασμένων ατόμων. Η διπολική ροπή αυτών των μορίων είναι επίσης μηδέν. Παραδείγματα αυτών των μορίων είναι τα O2, N2 και H2.

Επαγόμενη ηλεκτρική διπολική ροπή

Όταν εφαρμόζεται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο σε μη πολικό υλικό, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια είναι διατεταγμένα έτσι ώστε τα πρωτόνια ή τα θετικά φορτία να ευθυγραμμίζονται προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο και τα ηλεκτρόνια ή τα αρνητικά φορτία να ευθυγραμμίζονται προς το θετικό ηλεκτρόδιο. Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι να εξισορροπηθεί η εσωτερική πίεση. Αυτή η διάταξη προκαλεί επαγωγή του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στο διηλεκτρικό υλικό. Αυτό το πεδίο είναι το επαγόμενο ηλεκτρικό πεδίο και η διπολική ροπή είναι η επαγόμενη διπολική ροπή.

Πολωτικότητα

Κάθε υλικό αποτελείται από ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο σε αυτά, διαχωρίζονται και παράγουν ένα επαγόμενο ηλεκτρικό πεδίο μέσα τους. Αυτή η ικανότητα μιας ουσίας είναι γνωστή ως πόλωση. Αυτή η ιδιότητα εξαρτάται από το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο και τη διηλεκτρική σταθερά του υλικού. Η πολωσιμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της διηλεκτρικής σταθεράς και του δείκτη διάθλασης του υλικού.

Το πεδίο που εφαρμόζεται εξωτερικά είναι ανεξάρτητο της θερμοκρασίας και ανάλογο της επαγόμενης διπολικής ροπής. Η διεύθυνση της επαγόμενης διπολικής ροπής του υλικού είναι ίδια με αυτή του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου.

Η πολικότητα ενός στερεού ορίζεται ως η διπολική ροπή ανά μονάδα όγκου του κρυσταλλικού κυττάρου και μαθηματικά μπορεί να γραφτεί ως:

P =ℇ0 α E

όπου το α αντιπροσωπεύει την ατομική πολικότητα και το E το ηλεκτρικό πεδίο. Η πολικότητα αντιπροσωπεύεται σε m3 γενικά.

Ηλεκτρική πόλωση

Όταν ένα διηλεκτρικό είναι πολωμένο, δημιουργείται μια διπολική ροπή στο υλικό. Αυτό συμβαίνει παρουσία εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Η διαδικασία είναι γνωστή ως ηλεκτρική πόλωση. Η ηλεκτρική πολικότητα ορίζεται ως η διπολική ροπή ανά μονάδα όγκου αυτού του υλικού.

Διηλεκτρική σταθερά

Η διηλεκτρική σταθερά ή σχετική διαπερατότητα είναι ο λόγος της διαπερατότητας της ουσίας προς τη διαπερατότητα του ελεύθερου χώρου. Μπορεί επίσης να γραφτεί ως ο λόγος του ηλεκτρικού πεδίου ενός πυκνωτή χωρίς διηλεκτρικό προς το ηλεκτρικό πεδίο ενός πυκνωτή με ένα διηλεκτρικό.

Μαθηματικά, μπορεί να γραφτεί ως,

ℇr=ℇ/ℇ0

Όσο μεγαλύτερη είναι η διηλεκτρική σταθερά, τόσο περισσότερο θα αποθηκεύεται το φορτίο στον πυκνωτή. Όταν το κενό μεταξύ των πλακών γεμίσει με ένα διηλεκτρικό, το μέγεθος της χωρητικότητας του πυκνωτή αυξάνεται κατά έναν παράγοντα της διηλεκτρικής σταθεράς.

C =ℇr C0, όπου το C0 υποδηλώνει την χωρητικότητα μεταξύ των πλακών απουσία διηλεκτρικού.

Διηλεκτρική αντοχή

Η μεγαλύτερη ένταση ηλεκτρικού πεδίου που μπορεί να διατηρήσει ένα μονωτικό υλικό χωρίς να χάσει τις μονωτικές του ιδιότητες ορίζεται ως η διηλεκτρική του ισχύς.

Δείγμα ερώτησης

Ερώτηση 1:Το ηλεκτρικό πεδίο ενός πυκνωτή έχει μέγεθος 30 V/m. Η διηλεκτρική σταθερά του υλικού που εισάγεται μεταξύ των πλακών του πυκνωτή είναι 3. Βρείτε την τιμή της πόλωσης.

Απάντηση 1:

Δεδομένα:

Διηλεκτρική σταθερά, ℇr=3

Ηλεκτρικό πεδίο, E =30 V/m

Η ευαισθησία μπορεί να υπολογιστεί ως,

Xe=ℇr− 1 =3 − 1 =2

Η πόλωση θα είναι,

P =Xe E

P =2 × 30

P =60 C/m2

Επομένως, η πόλωση είναι 60 C/m2. 

Συμπέρασμα

Η διηλεκτρική πόλωση είναι η διαδικασία πόλωσης ή επαγωγής ηλεκτρικού πεδίου στο διηλεκτρικό υλικό όταν αυτό εισάγεται σε ορισμένα εξωτερικά πεδία. Μάθαμε σε αυτό το άρθρο την έννοια των διηλεκτρικών υλικών, τους τύπους και την πόλωσή τους. Το θέμα συζητά επίσης τον μηχανισμό της πόλωσης και τους όρους (διηλεκτρική ισχύς, δυνατότητα πόλωσης, διηλεκτρική σταθερά) που σχετίζονται με αυτόν.