ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડમાં ડાઇલેક્ટ્રિક્સ

માનવજાત માટે જાણીતા તમામ પદાર્થો વિવિધ ડિગ્રીમાં વિદ્યુત પ્રવાહનું સંચાલન કરવા સક્ષમ છે: કેટલાક પ્રવાહ વધુ સારી રીતે ચલાવે છે, અન્ય ખરાબ, અન્ય ભાગ્યે જ તેનું સંચાલન કરે છે. આ ક્ષમતા અનુસાર, પદાર્થોને ત્રણ મુખ્ય વર્ગોમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે:

• ડાઇલેક્ટ્રિક્સ;

• સેમિકન્ડક્ટર્સ;

• કંડક્ટર.

આદર્શ ડાઇલેક્ટ્રિકમાં નોંધપાત્ર અંતર પર ખસેડવા માટે સક્ષમ કોઈ ચાર્જ નથી, એટલે કે, આદર્શ ડાઇલેક્ટ્રિકમાં કોઈ મફત શુલ્ક નથી. જો કે, જ્યારે બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્રમાં મૂકવામાં આવે છે, ત્યારે ડાઇલેક્ટ્રિક તેના પર પ્રતિક્રિયા આપે છે. ડાઇલેક્ટ્રિક ધ્રુવીકરણ થાય છે, એટલે કે, ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રની ક્રિયા હેઠળ, ડાઇલેક્ટ્રિકમાંના ચાર્જ વિસ્થાપિત થાય છે. આ ગુણધર્મ, ધ્રુવીકરણ માટે ડાઇલેક્ટ્રિકની ક્ષમતા, ડાઇલેક્ટ્રિક્સની મૂળભૂત મિલકત છે.

આમ, ડાઇલેક્ટ્રિક્સના ધ્રુવીકરણમાં ધ્રુવીકરણના ત્રણ ઘટકોનો સમાવેશ થાય છે:

• ઇલેક્ટ્રોનિક;

• જોન્ના;

• દ્વિધ્રુવ (ઓરિએન્ટેશન).

ધ્રુવીકરણમાં, ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્રની ક્રિયા હેઠળ ચાર્જ વિસ્થાપિત થાય છે. પરિણામે, દરેક અણુ અથવા દરેક પરમાણુ ઇલેક્ટ્રિક મોમેન્ટ P બનાવે છે.

ડાઇલેક્ટ્રિકની અંદરના દ્વિધ્રુવોના ચાર્જ પરસ્પર વળતર આપવામાં આવે છે, પરંતુ વિદ્યુત ક્ષેત્રના સ્ત્રોત તરીકે સેવા આપતા ઇલેક્ટ્રોડ્સને અડીને બાહ્ય સપાટીઓ પર, સપાટી સંબંધિત ચાર્જ દેખાય છે જે સંબંધિત ઇલેક્ટ્રોડના ચાર્જની વિરુદ્ધ સંકેત ધરાવે છે.

સંકળાયેલ ચાર્જ E' નું ઈલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્ર હંમેશા બાહ્ય ઈલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્ર E0 સામે નિર્દેશિત થાય છે. તે તારણ આપે છે કે ડાઇલેક્ટ્રિકની અંદર E = E0 — E ' ની બરાબર ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર છે.

જો સમાંતર પાઈપના સ્વરૂપમાં ડાઇલેક્ટ્રિકથી બનેલા શરીરને E0 શક્તિના ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્રમાં મૂકવામાં આવે છે, તો તેની ઇલેક્ટ્રિક મોમેન્ટની ગણતરી સૂત્ર દ્વારા કરી શકાય છે: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, જ્યાં σ' છે સંકળાયેલ ચાર્જની સપાટીની ઘનતા, અને φ એ ક્ષેત્ર S ના ચહેરાની સપાટી અને તેના સામાન્ય વચ્ચેનો ખૂણો છે.

વધુમાં, n — ડાઇલેક્ટ્રિકના એકમ જથ્થા દીઠ પરમાણુઓની સાંદ્રતા અને P1 — એક પરમાણુની ઇલેક્ટ્રિક ક્ષણને જાણીને, અમે ધ્રુવીકરણ વેક્ટરના મૂલ્યની ગણતરી કરી શકીએ છીએ, એટલે કે, ડાઇલેક્ટ્રિકના એકમ વોલ્યુમ દીઠ ઇલેક્ટ્રિક મોમેન્ટ.

હવે સમાંતર V = SlCos φ ના વોલ્યુમને બદલીને, તે તારણ કાઢવું ​​સરળ છે કે ધ્રુવીકરણ શુલ્કની સપાટીની ઘનતા સપાટી પર આપેલ બિંદુ પર ધ્રુવીકરણ વેક્ટરના સામાન્ય ઘટકની સંખ્યાત્મક રીતે સમાન છે. તાર્કિક પરિણામ એ છે કે ડાઇલેક્ટ્રિકમાં પ્રેરિત ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્ર E' લાગુ બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્ર E ના ફક્ત સામાન્ય ઘટકને અસર કરે છે.

શૂન્યાવકાશના વોલ્ટેજ, ધ્રુવીકરણક્ષમતા અને ડાઇલેક્ટ્રિક કોન્સ્ટન્ટના સંદર્ભમાં પરમાણુની ઇલેક્ટ્રિક ક્ષણ લખ્યા પછી, ધ્રુવીકરણ વેક્ટરને આ રીતે લખી શકાય છે:

જ્યાં α એ આપેલ પદાર્થના એક પરમાણુની ધ્રુવીકરણક્ષમતા છે, અને χ = nα એ ડાઇલેક્ટ્રિક સંવેદનશીલતા છે, એક મેક્રોસ્કોપિક જથ્થો છે જે એકમ વોલ્યુમ દીઠ ધ્રુવીકરણને દર્શાવે છે. ડાઇલેક્ટ્રિક સંવેદનશીલતા એ પરિમાણહીન જથ્થો છે.

આમ, પરિણામી ઈલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્ર E બદલાય છે, E0 ની સરખામણીમાં, માત્ર સામાન્ય ઘટક. ક્ષેત્રનો સ્પર્શક ઘટક (સપાટી પર સ્પર્શક રીતે નિર્દેશિત) બદલાતો નથી. પરિણામે, વેક્ટર સ્વરૂપમાં, પરિણામી ક્ષેત્રની શક્તિનું મૂલ્ય લખી શકાય છે:

ડાઇલેક્ટ્રિકમાં પરિણામી ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્રની મજબૂતાઈનું મૂલ્ય એ માધ્યમ ε ના ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક દ્વારા વિભાજિત બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્રની તાકાત જેટલું છે:

માધ્યમ ε = 1 + χ નું ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક એ ડાઇલેક્ટ્રિકની મુખ્ય લાક્ષણિકતા છે અને તેના વિદ્યુત ગુણધર્મો સૂચવે છે. આ લાક્ષણિકતાનો ભૌતિક અર્થ એ છે કે તે દર્શાવે છે કે આપેલ ડાઇલેક્ટ્રિક માધ્યમમાં ક્ષેત્રની શક્તિ E શૂન્યાવકાશમાંની તાકાત E0 કરતાં કેટલી વખત ઓછી છે:

જ્યારે એક માધ્યમથી બીજામાં પસાર થાય છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્રની મજબૂતાઈ તીવ્રપણે બદલાય છે, અને ડાઇલેક્ટ્રિક અચળ માધ્યમમાં ડાઇલેક્ટ્રિક દડાની ત્રિજ્યા પર ક્ષેત્રની શક્તિની અવલંબનનો ગ્રાફ બોલના ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંકથી ε2 અલગ હોય છે. ε1 આને પ્રતિબિંબિત કરે છે:

ફેરોઇલેક્ટ્રિક્સ

1920 એ સ્વયંસ્ફુરિત ધ્રુવીકરણની ઘટનાની શોધનું વર્ષ હતું. આ ઘટના માટે સંવેદનશીલ પદાર્થોના જૂથને ફેરોઈલેક્ટ્રીક્સ અથવા ફેરોઈલેક્ટ્રીક્સ કહેવામાં આવે છે. આ ઘટના એ હકીકતને કારણે થાય છે કે ફેરોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મોની એનિસોટ્રોપી દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે, જેમાં ફેરોઇલેક્ટ્રિક ઘટના ફક્ત સ્ફટિક અક્ષોમાંથી એક સાથે અવલોકન કરી શકાય છે. આઇસોટ્રોપિક ડાઇલેક્ટ્રિક્સમાં, બધા પરમાણુઓ એ જ રીતે ધ્રુવીકરણ થાય છે.એનિસોટ્રોપિક માટે — જુદી જુદી દિશામાં, ધ્રુવીકરણ વેક્ટર દિશામાં અલગ હોય છે.

ફેરોઇલેક્ટ્રિક્સ ચોક્કસ તાપમાન શ્રેણીમાં ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિર ε ના ઉચ્ચ મૂલ્યો દ્વારા અલગ પડે છે:

આ કિસ્સામાં, ε નું મૂલ્ય નમૂના પર લાગુ બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્ર E અને નમૂનાના ઇતિહાસ બંને પર આધારિત છે. ડાઇલેક્ટ્રિક કોન્સ્ટન્ટ અને ઇલેક્ટ્રિક મોમેન્ટ અહીં બિનરેખીય રીતે બળ E પર આધાર રાખે છે, તેથી ફેરોઇલેક્ટ્રિક્સ બિનરેખીય ડાઇલેક્ટ્રિક્સથી સંબંધિત છે.

ફેરોઇલેક્ટ્રિક્સને ક્યુરી પોઇન્ટ દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે, એટલે કે, ચોક્કસ તાપમાન અને વધુથી શરૂ કરીને, ફેરોઇલેક્ટ્રિક અસર અદૃશ્ય થઈ જાય છે. આ કિસ્સામાં, બીજા ક્રમમાં તબક્કાવાર સંક્રમણ થાય છે, ઉદાહરણ તરીકે, બેરિયમ ટાઇટેનેટ માટે, ક્યુરી પોઈન્ટનું તાપમાન + 133 ° સે છે, રોશેલ મીઠું માટે -18 ° સે થી + 24 ° સે, લિથિયમ નિયોબેટ માટે + 1210 ° સે.

ડાઇલેક્ટ્રિક્સ બિન-રેખીય રીતે ધ્રુવીકૃત હોવાથી, ડાઇલેક્ટ્રિક હિસ્ટેરેસિસ અહીં થાય છે. સંતૃપ્તિ ગ્રાફના બિંદુ "a" પર થાય છે. Ec — જબરદસ્તી બળ, Pc — શેષ ધ્રુવીકરણ. ધ્રુવીકરણ વળાંકને હિસ્ટેરેસિસ લૂપ કહેવામાં આવે છે.

સંભવિત ઉર્જા લઘુત્તમ તરફના વલણને કારણે, તેમજ તેમની રચનામાં રહેલી ખામીઓને લીધે, ફેરોઈલેક્ટ્રીક્સ આંતરિક રીતે ડોમેન્સમાં વિભાજિત થાય છે. ડોમેન્સ વિવિધ ધ્રુવીકરણ દિશાઓ ધરાવે છે અને બાહ્ય ક્ષેત્રની ગેરહાજરીમાં તેમની કુલ દ્વિધ્રુવ ક્ષણ લગભગ શૂન્ય છે.

બાહ્ય ક્ષેત્ર E ની ક્રિયા હેઠળ, ડોમેન્સની સીમાઓ ખસેડવામાં આવે છે, અને ક્ષેત્રના સંદર્ભમાં ધ્રુવીકરણ કરાયેલા કેટલાક પ્રદેશો ક્ષેત્ર E ની દિશામાં ડોમેન્સના ધ્રુવીકરણમાં ફાળો આપે છે.

આવી રચનાનું આબેહૂબ ઉદાહરણ BaTiO3 નું ટેટ્રાગોનલ ફેરફાર છે.

પૂરતા પ્રમાણમાં મજબૂત ક્ષેત્ર E માં, ક્રિસ્ટલ સિંગલ-ડોમેન બની જાય છે, અને બાહ્ય ક્ષેત્રને બંધ કર્યા પછી, ધ્રુવીકરણ રહે છે (આ શેષ ધ્રુવીકરણ પીસી છે).

વિપરીત ચિહ્ન સાથે પ્રદેશોના જથ્થાને સમાન કરવા માટે, નમૂના પર બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્ર Ec, એક બળજબરી ક્ષેત્ર, વિરુદ્ધ દિશામાં લાગુ કરવું જરૂરી છે.

ઇલેક્ટ્રિશિયન

ડાઇલેક્ટ્રિક્સમાં, કાયમી ચુંબક - ઇલેક્ટ્રોડ્સના વિદ્યુત એનાલોગ છે. આ આવા વિશિષ્ટ ડાઇલેક્ટ્રિક્સ છે જે બાહ્ય ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર બંધ થયા પછી પણ લાંબા સમય સુધી ધ્રુવીકરણ જાળવવામાં સક્ષમ છે.

પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સ

પ્રકૃતિમાં ત્યાં ડાઇલેક્ટ્રિક્સ છે જે તેમના પર યાંત્રિક અસર દ્વારા ધ્રુવીકરણ થાય છે. યાંત્રિક વિકૃતિ દ્વારા ક્રિસ્ટલનું ધ્રુવીકરણ થાય છે. આ ઘટનાને પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. તે 1880 માં જેક્સ અને પિયર ક્યુરી ભાઈઓ દ્વારા ખોલવામાં આવ્યું હતું.

નિષ્કર્ષ નીચે મુજબ છે. પીઝોઇલેક્ટ્રિક ક્રિસ્ટલની સપાટી પર સ્થિત મેટલ ઇલેક્ટ્રોડ્સ પર, સ્ફટિકના વિરૂપતાના ક્ષણે સંભવિત તફાવત આવશે. જો ઇલેક્ટ્રોડ્સ વાયર દ્વારા બંધ હોય, તો સર્કિટમાં ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ દેખાશે.

રિવર્સ પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર પણ શક્ય છે — ક્રિસ્ટલનું ધ્રુવીકરણ તેના વિકૃતિ તરફ દોરી જાય છે. જ્યારે પીઝોઇલેક્ટ્રિક ક્રિસ્ટલ પર લાગુ ઇલેક્ટ્રોડ પર વોલ્ટેજ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે ક્રિસ્ટલનું યાંત્રિક વિકૃતિ થાય છે; તે લાગુ ફીલ્ડ તાકાત E0 માટે પ્રમાણસર હશે. હાલમાં, વિજ્ઞાન 1800 થી વધુ પ્રકારના પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સ જાણે છે. ધ્રુવીય તબક્કામાં તમામ ફેરોઇલેક્ટ્રિક્સ પીઝોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો દર્શાવે છે.

પાયરોઇલેક્ટ્રિક્સ

કેટલાક ડાઇલેક્ટ્રિક સ્ફટિકો જ્યારે ગરમ અથવા ઠંડુ થાય છે ત્યારે ધ્રુવીકરણ થાય છે, જે પાયરોઇલેક્ટ્રીસીટી તરીકે ઓળખાતી ઘટના છે.ઉદાહરણ તરીકે, પાયરોઇલેક્ટ્રિક નમૂનાનો એક છેડો જ્યારે ગરમ થાય ત્યારે નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થાય છે, જ્યારે બીજો હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થાય છે. અને જ્યારે તે ઠંડું થાય છે, ત્યારે ગરમ થવા પર નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલો છેડો જ્યારે તે ઠંડુ થાય છે ત્યારે હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થઈ જાય છે. દેખીતી રીતે, આ ઘટના તેના તાપમાનમાં ફેરફાર સાથે પદાર્થના પ્રારંભિક ધ્રુવીકરણમાં ફેરફાર સાથે સંબંધિત છે.

દરેક pyroelectric હોય છે પીઝોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો, પરંતુ દરેક પીઝોઇલેક્ટ્રિક એ પાયરોઇલેક્ટ્રિક નથી. કેટલાક પાયરોઇલેક્ટ્રિક્સ ફેરોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો ધરાવે છે, એટલે કે, તેઓ સ્વયંસ્ફુરિત ધ્રુવીકરણ માટે સક્ષમ છે.

ઇલેક્ટ્રિક ડિસ્પ્લેસમેન્ટ

ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંકના વિવિધ મૂલ્યો સાથે બે માધ્યમોની સીમા પર, ε માં તીવ્ર ફેરફારોના સ્થાને ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્ર E ની મજબૂતાઈ તીવ્રપણે બદલાય છે.

ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક્સમાં ગણતરીઓને સરળ બનાવવા માટે, ઇલેક્ટ્રિક ડિસ્પ્લેસમેન્ટ વેક્ટર અથવા ઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન ડી રજૂ કરવામાં આવ્યું હતું.

ત્યારથી E1ε1 = E2ε2, પછી E1ε1ε0 = E2ε2ε0, જેનો અર્થ થાય છે:

એટલે કે, એક પર્યાવરણમાંથી બીજામાં સંક્રમણ દરમિયાન, ઇલેક્ટ્રિક ડિસ્પ્લેસમેન્ટ વેક્ટર યથાવત રહે છે, એટલે કે, ઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન. આ આકૃતિમાં સ્પષ્ટપણે બતાવવામાં આવ્યું છે:

શૂન્યાવકાશમાં બિંદુ ચાર્જ માટે, ઇલેક્ટ્રિક ડિસ્પ્લેસમેન્ટ વેક્ટર છે:

ચુંબકીય ક્ષેત્રો માટે ચુંબકીય પ્રવાહની જેમ, ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક્સ ઇલેક્ટ્રિક ડિસ્પ્લેસમેન્ટ વેક્ટરના પ્રવાહનો ઉપયોગ કરે છે.

તેથી, એક સમાન ઈલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્ષેત્ર માટે, જ્યારે વિદ્યુત વિસ્થાપન વેક્ટર D ની રેખાઓ પ્રદેશ S ને સામાન્યના α ખૂણા પર પાર કરે છે, ત્યારે આપણે લખી શકીએ છીએ:

વેક્ટર E માટે ઓસ્ટ્રોગ્રેડસ્કી-ગૌસ પ્રમેય અમને વેક્ટર D માટે અનુરૂપ પ્રમેય મેળવવાની મંજૂરી આપે છે.

તેથી, ઇલેક્ટ્રિક ડિસ્પ્લેસમેન્ટ વેક્ટર ડી માટે ઓસ્ટ્રોગ્રેડસ્કી-ગૌસ પ્રમેય આના જેવો લાગે છે:

કોઈપણ બંધ સપાટી દ્વારા વેક્ટર Dનો પ્રવાહ ફક્ત મુક્ત ચાર્જ દ્વારા જ નક્કી થાય છે, તે સપાટી દ્વારા બંધાયેલા વોલ્યુમની અંદરના તમામ ચાર્જ દ્વારા નહીં.

ઉદાહરણ તરીકે, અમે વિવિધ ε સાથે બે અનંત વિસ્તૃત ડાઇલેક્ટ્રિક્સ અને બાહ્ય ક્ષેત્ર E દ્વારા ઘૂસી ગયેલા બે મીડિયા વચ્ચેના ઇન્ટરફેસની સમસ્યાને ધ્યાનમાં લઈ શકીએ છીએ.

જો ε2> ε1, તો E1n/E2n = ε2/ε1 અને E1t = E2t ધ્યાનમાં લેતા, કારણ કે વેક્ટર Eનો માત્ર સામાન્ય ઘટક બદલાય છે, માત્ર વેક્ટર Eની દિશા બદલાય છે.

અમે વેક્ટર તીવ્રતા E ના રીફ્રેક્શનનો કાયદો મેળવ્યો.

વેક્ટર D માટે રીફ્રેક્શનનો નિયમ D = εε0E જેવો જ છે અને આ આકૃતિમાં દર્શાવેલ છે: