» » » » » » Polarizarea sarcinilor (Dielectrici)

Polarizarea sarcinilor (Dielectrici)

postat în: Electromagnetism | 0
Condensator
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Capacitor_schematic_with_dielectric.svg

(Un material dielectric polarizat.)

Un dielectric (sau material dielectric) este un izolator electric care poate fi polarizat de un câmp electric aplicat. Atunci când un dielectric este plasat într-un câmp electric, sarcinile electrice nu curg prin material așa cum o fac într-un conductor electric, dar doar ușor se deplasează de la pozițiile lor de echilibru medii, provocând polarizarea dielectrică. Din cauza polarizării dielectrice, sarcinile pozitive sunt deplasate în direcția câmpului, iar sarcinile negative se deplasează în direcția opusă. Acest lucru creează un câmp electric intern care reduce câmpul general în cadrul dielectricului însuși. Dacă un dielectric este compus din molecule slab legate, acele molecule nu numai că devin polarizate, ci și reorientate astfel încât axele lor de simetrie să se alinieze câmpului.

Studiul proprietăților dielectrice se referă la stocarea și disiparea energiei electrice și magnetice în materiale. Dielectricii sunt importanți pentru explicarea diferitelor fenomene din electronică, optică, fizică solidă și biofizică celulară.

Modelul atomic de bază

Interacțiunea câmpului electric cu un atom în modelul dielectric clasic (Interacțiunea câmpului electric cu un atom în modelul dielectric clasic.)

În abordarea clasică a modelului dielectric, un material este format din atomi. Fiecare atom constă dintr-un nor de sarcină negativă (electroni) legat la și în jurul valorii unei sarcini punctuale pozitive în centrul său. În prezența unui câmp electric, norul de sarcină este distorsionat, așa cum se arată în partea dreaptă sus a figurii.

Acest lucru poate fi redus la un dipol simplu folosind principiul suprapunerii. Un dipol este caracterizat de momentul dipolului său, o cantitate vectorială prezentată în figură ca săgeata albastră marcată M. Este relația dintre câmpul electric și momentul dipolului care dă naștere comportamentului dielectricului. (Rețineți că momentul dipolului se găsește în aceeași direcție cu câmpul electric din figură. Acest lucru nu este întotdeauna cazul și este o simplificare majoră, dar este valabil pentru multe materiale.)

Când câmpul electric este îndepărtat, atomul revine la starea inițială. Timpul necesar pentru a face acest lucru este așa-numitul timp de relaxare; o evoluție exponențială.

Aceasta este esența modelului în fizică. Comportamentul dielectricului depinde acum de situație. Cu cât situația este mai complicată, cu atât trebuie să fie modelul mai bogat pentru de a descrie cu exactitate comportamentul. Întrebările importante sunt:

  • Este câmpul electric constant sau variază în funcție de timp? La ce rată?
  • Răspunsul depinde de direcția câmpului aplicat (izotropia materialului)?
  • Răspunsul este același peste tot (omogenitatea materialului)?
  • Trebuie să fie luate în considerare limitele sau interfețele?
  • Răspunsul este liniar în raport cu câmpul sau există nelinearități?

Relația dintre câmpul electric E și momentul dipolului M dă naștere comportamentului dielectricului, care pentru un anumit material poate fi caracterizat prin funcția F definită prin ecuația:

M = F(E).

Când atât tipul de câmp electric cât și tipul de material au fost definite, atunci se alege cea mai simplă funcție F care prezice corect fenomenele de interes. Exemple de fenomene care pot fi modelate astfel:

  • Indicele de refracție
  • Dispersia vitezei de grup
  • Birefringența
  • Auto-focalizarea
  • Generarea armonică

Polarizarea dipolară

Polarizarea dipolară este o polarizare fie inerentă moleculelor polare (polarizarea de orientare), fie poate fi indusă în orice moleculă în care distorsiunea asimetrică a nucleelor ​​este posibilă (polarizarea de distorsiune). Polarizarea de orientare rezultă dintr-un dipol permanent, de exemplu, care rezultă din unghiul de 104,45° între legăturile asimetrice dintre atomii de oxigen și hidrogen din molecula de apă, care păstrează polarizarea în absența unui câmp electric extern. Ansamblul acestor dipoli formează o polarizare macroscopică.

Atunci când se aplică un câmp electric extern, distanța dintre sarcinile din fiecare dipol permanent, care depinde de legătura chimică, rămâne constantă în polarizarea de orientare; totuși, direcția polarizării se rotește. Această rotație are loc într-un interval de timp care depinde de cuplu și de vâscozitatea locală a moleculelor. Deoarece rotația nu este instantanee, polarizările dipolare pierd răspunsul la câmpurile electrice la cele mai înalte frecvențe. O moleculă se rotește aproximativ 1 radian pe picosecundă într-un fluid, astfel această pierdere apare la aproximativ 1011 Hz (în regiunea cu microunde). Întârzierea răspunsului la schimbarea câmpului electric cauzează frecare și căldură.

Când un câmp electric extern este aplicat la frecvențe infraroșii sau mai mici, moleculele sunt îndoite și întinse de câmp și se modifică momentul dipolului molecular. Frecvența vibrațiilor moleculare este aproximativ inversă cu timpul necesar pentru ca moleculele să se îndoaie, și această polarizare de distorsiune dispare deasupra frecvențelor infraroșii.

Polarizarea ionică

Polarizarea ionică este polarizarea cauzată de deplasările relative dintre ionii pozitivi și negativi în cristalele ionice (de exemplu, NaCI).

Dacă un cristal sau o moleculă constă din atomi de mai mult de un fel, distribuția sarcinilor în jurul unui atom din cristal sau moleculă se îndreaptă spre pozitiv sau negativ. Ca rezultat, atunci când vibrațiile rețelei sau vibrațiile moleculare induc deplasările relative ale atomilor, centrele sarcinilor pozitive și negative sunt de asemenea deplasate. Locațiile acestor centre sunt afectate de simetria deplasărilor. Când centrele nu corespund, apare polarizarea în molecule sau cristale. Această polarizare se numește polarizare ionică.

Polarizarea ionică determină efectul feroelectric, precum și polarizarea dipolară. Tranziția feroelectrică, care este cauzată de alinierea orientărilor dipolilor permanenți de-a lungul unei anumite direcții, se numește tranziție de fază ordine-dezordine. Tranziția cauzată de polarizările ionice în cristale se numește o tranziție de fază displasivă.

În celule

Polarizarea ionică permite producerea de compuși foarte energetici în celule (pompa de protoni în mitocondrii) și, la membrana plasmatică, stabilirea potențialului de repaus, transportul ionic nefavorabil din punct de vedere energetic și comunicarea celulă-celulă (pompa sodiu-potasiu).

Toate celulele din țesuturile corpului animalelor sunt polarizate electric – cu alte cuvinte, ele mențin o diferență de tensiune pe membrana plasmatică a celulei, cunoscută ca potențialul membranei. Această polarizare electrică rezultă dintr-o interacțiune complexă între structurile de proteine ​​încorporate în membrană numite pompe de ioni de transportare ionică și canale ionice.

În neuroni, tipurile de canale ionice din membrană variază de obicei în diferite părți ale celulei, conferind dendritelor, axonului și corpului celular proprietăți electrice diferite. Ca urmare, unele părți ale membranei unui neuron pot fi excitabile (capabile să genereze potențiale de acțiune), în timp ce altele nu sunt.

Condensatori

Condensator
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Capacitor_schematic_with_dielectric.svg

(Separarea sarcinii într-un condensator cu plăci paralele cauzează un câmp electric intern. Un dielectric (portocaliu) reduce câmpul și mărește capacitatea. )

Condensatoarele fabricate în mod obișnuit utilizează un material dielectric solid, cu permitivitate ridicată, ca mediu intermediar între încărcăturile pozitive și negative stocate. Acest material este adesea denumit în contexte tehnice ca dielectricul condensatorului.

Cel mai evident avantaj al utilizării unui astfel de material dielectric este acela că împiedică plăcile conductive pe care sunt stocate sarcinile, să intre în contact electric direct. Mai mult, însă, o permitivitate ridicată permite o încărcare mai mare stocată la o anumită tensiune. Acest lucru se poate observa prin studiul cazului unui dielectric linear cu permitivitatea ε și grosimea d între două plăci conductoare cu o densitate uniformă a sarcinii. În acest caz, densitatea de sarcină este dată de

σε = εV/d

și capacitatea pe unitate de suprafață de

c = σε/V = ε/d

Din aceasta, se poate observa cu ușurință că un ε mai mare conduce la o încărcare mai mare stocată și deci la o capacitate mai mare.

Materialele dielectrice utilizate pentru condensatori sunt, de asemenea, alese astfel încât să fie rezistente la ionizare. Acest lucru permite condensatorului să funcționeze la tensiuni mai mari înainte ca dielectricul izolant să se ionizeze și să înceapă să permită un curent nedorit.

Summary
Review Date
Reviewed Item
Polarizarea sarcinilor (Dielectrici)
Author Rating
51star1star1star1star1star

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

Acest sit folosește Akismet pentru a reduce spamul. Află cum sunt procesate datele comentariilor tale.