Dielétricos em um campo elétrico

Todas as substâncias conhecidas pela humanidade são capazes de conduzir corrente elétrica em graus variados: algumas conduzem melhor a corrente, outras pior, outras dificilmente a conduzem. De acordo com essa habilidade, as substâncias são divididas em três classes principais:

• Dielétricos;

• Semicondutores;

• Condutores.

Um dielétrico ideal não contém cargas capazes de se mover por distâncias significativas, ou seja, não há cargas livres em um dielétrico ideal. No entanto, quando colocado em um campo eletrostático externo, o dielétrico reage a ele. Ocorre polarização dielétrica, ou seja, sob a ação de um campo elétrico, as cargas no dielétrico são deslocadas. Esta propriedade, a capacidade de um dielétrico se polarizar, é a propriedade fundamental dos dielétricos.

Assim, a polarização dos dielétricos inclui três componentes de polarizabilidade:

• Eletrônico;

• Joana;

• Dipolo (orientação).

Na polarização, as cargas são deslocadas sob a ação de um campo eletrostático. Como resultado, cada átomo ou cada molécula cria um momento elétrico P.

As cargas dos dipolos dentro do dielétrico são compensadas mutuamente, mas nas superfícies externas adjacentes aos eletrodos que servem como fonte do campo elétrico, aparecem cargas relacionadas à superfície que têm o sinal oposto à carga do eletrodo correspondente.

O campo eletrostático das cargas associadas E' é sempre direcionado contra o campo eletrostático externo E0. Acontece que dentro do dielétrico existe um campo elétrico igual a E = E0 — E '.

Se um corpo feito de um dielétrico em forma de paralelepípedo é colocado em um campo eletrostático de força E0, então seu momento elétrico pode ser calculado pela fórmula: P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ, onde σ' é a densidade superficial das cargas associadas, e φ é o ângulo entre a superfície de uma face de área S e a normal a ela.

Além disso, conhecendo n — a concentração de moléculas por unidade de volume do dielétrico e P1 — o momento elétrico de uma molécula, podemos calcular o valor do vetor de polarização, ou seja, o momento elétrico por unidade de volume do dielétrico.

Substituindo agora o volume do paralelepípedo V = SlCos φ, é fácil concluir que a densidade superficial das cargas de polarização é numericamente igual à componente normal do vetor de polarização em um dado ponto da superfície. A consequência lógica é que o campo eletrostático E' induzido no dielétrico afeta apenas a componente normal do campo eletrostático externo aplicado E.

Depois de escrever o momento elétrico de uma molécula em termos de tensão, polarizabilidade e constante dielétrica do vácuo, o vetor de polarização pode ser escrito como:

Onde α é a polarizabilidade de uma molécula de uma dada substância, e χ = nα é a suscetibilidade dielétrica, uma grandeza macroscópica que caracteriza a polarização por unidade de volume. A suscetibilidade dielétrica é uma quantidade adimensional.

Assim, o campo eletrostático E resultante muda, em relação a E0, apenas a componente normal. A componente tangencial do campo (dirigida tangencialmente à superfície) não muda. Como resultado, na forma de vetor, o valor da força de campo resultante pode ser escrito:

O valor da força do campo eletrostático resultante no dielétrico é igual à força do campo eletrostático externo dividido pela constante dielétrica do meio ε:

A constante dielétrica do meio ε = 1 + χ é a principal característica do dielétrico e indica suas propriedades elétricas. O significado físico dessa característica é que ela mostra quantas vezes a força do campo E em um determinado meio dielétrico é menor que a força E0 no vácuo:

Ao passar de um meio para outro, a força do campo eletrostático muda drasticamente, e o gráfico da dependência da força do campo no raio de uma bola dielétrica em um meio com uma constante dielétrica ε2 diferente da constante dielétrica da bola ε1 reflete isso:

Ferroelétricos

1920 foi o ano da descoberta do fenômeno da polarização espontânea. O grupo de substâncias suscetíveis a esse fenômeno é chamado de ferroelétricos ou ferroelétricos. O fenômeno ocorre devido ao fato de que os ferroelétricos são caracterizados por uma anisotropia de propriedades, na qual os fenômenos ferroelétricos podem ser observados apenas ao longo de um dos eixos do cristal. Em dielétricos isotrópicos, todas as moléculas são polarizadas da mesma maneira.Para anisotrópicos — em direções diferentes, os vetores de polarização são de direção diferente.

Os ferroelétricos se distinguem por altos valores da constante dielétrica ε em uma determinada faixa de temperatura:

Nesse caso, o valor de ε depende tanto do campo eletrostático externo E aplicado à amostra quanto do histórico da amostra. A constante dielétrica e o momento elétrico aqui dependem não linearmente da força E, portanto, os ferroelétricos pertencem aos dielétricos não lineares.

Os ferroelétricos são caracterizados pelo ponto Curie, ou seja, a partir de uma determinada temperatura e acima, o efeito ferroelétrico desaparece. Nesse caso, ocorre uma transição de fase de segunda ordem, por exemplo, para titanato de bário, a temperatura do ponto Curie é + 133 ° C, para sal de Rochelle de -18 ° C a + 24 ° C, para niobato de lítio + 1210ºC.

Como os dielétricos são polarizados não linearmente, a histerese dielétrica ocorre aqui. A saturação ocorre no ponto «a» do gráfico. Ec — força coercitiva, Pc — polarização residual. A curva de polarização é chamada de loop de histerese.

Devido à tendência a um mínimo de energia potencial, bem como devido a defeitos inerentes à sua estrutura, os ferroelétricos são internamente divididos em domínios. Os domínios têm direções de polarização diferentes e, na ausência de um campo externo, seu momento de dipolo total é quase zero.

Sob a ação do campo externo E, os limites dos domínios são deslocados e algumas das regiões polarizadas em relação ao campo contribuem para a polarização dos domínios na direção do campo E.

Um exemplo vívido de tal estrutura é a modificação tetragonal do BaTiO3.

Em um campo E suficientemente forte, o cristal torna-se de domínio único e, após desligar o campo externo, a polarização permanece (esta é a polarização residual Pc).

Para igualar os volumes das regiões de sinal oposto, é necessário aplicar à amostra um campo eletrostático externo Ec, um campo coercitivo, no sentido oposto.

Eletricistas

Entre os dielétricos, existem análogos elétricos de ímãs permanentes - eletrodos. São dielétricos tão especiais que são capazes de manter a polarização por muito tempo, mesmo após o desligamento do campo elétrico externo.

Piezoelétricos

Na natureza existem dielétricos que são polarizados por impacto mecânico sobre eles. O cristal é polarizado por deformação mecânica. Este fenômeno é conhecido como efeito piezoelétrico. Foi inaugurado em 1880 pelos irmãos Jacques e Pierre Curie.

A conclusão é a seguinte. Nos eletrodos metálicos localizados na superfície do cristal piezoelétrico, ocorrerá uma diferença de potencial no momento da deformação do cristal. Se os eletrodos estiverem fechados por um fio, uma corrente elétrica aparecerá no circuito.

O efeito piezoelétrico reverso também é possível — a polarização do cristal leva à sua deformação.Quando a tensão é aplicada aos eletrodos aplicados ao cristal piezoelétrico, ocorre uma deformação mecânica do cristal; será proporcional à força de campo aplicada E0. Atualmente, a ciência conhece mais de 1800 tipos de piezoelétricos. Todos os ferroelétricos na fase polar exibem propriedades piezoelétricas.

piroelétricos

Alguns cristais dielétricos polarizam quando aquecidos ou resfriados, um fenômeno conhecido como piroeletricidade.Por exemplo, uma extremidade de uma amostra piroelétrica fica carregada negativamente quando aquecida, enquanto a outra fica carregada positivamente. E quando esfria, a extremidade que estava carregada negativamente quando aquecida ficará carregada positivamente quando esfria. Obviamente, esse fenômeno está relacionado a uma mudança na polarização inicial de uma substância com uma mudança em sua temperatura.

Todo piroelétrico tem propriedades piezoelétricas, mas nem todo piezoelétrico é um piroelétrico. Alguns dos piroelétricos possuem propriedades ferroelétricas, ou seja, são capazes de polarização espontânea.

Deslocamento elétrico

No limite de dois meios com valores diferentes da constante dielétrica, a força do campo eletrostático E muda drasticamente no local de mudanças bruscas em ε.

Para simplificar os cálculos em eletrostática, o vetor de deslocamento elétrico ou indução elétrica D foi introduzido.

Como E1ε1 = E2ε2, então E1ε1ε0 = E2ε2ε0, o que significa:

Ou seja, durante a transição de um ambiente para outro, o vetor deslocamento elétrico permanece inalterado, ou seja, a indução elétrica. Isso fica bem claro na figura:

Para uma carga pontual no vácuo, o vetor deslocamento elétrico é:

Como o fluxo magnético para campos magnéticos, a eletrostática usa o fluxo de um vetor de deslocamento elétrico.

Assim, para um campo eletrostático uniforme, quando as linhas do vetor deslocamento elétrico D cruzam a região S em um ângulo α com a normal, podemos escrever:

O teorema de Ostrogradsky-Gauss para o vetor E nos permite obter o teorema correspondente para o vetor D.

Assim, o teorema de Ostrogradsky-Gauss para o vetor de deslocamento elétrico D soa assim:

O fluxo do vetor D através de qualquer superfície fechada é determinado apenas pelas cargas livres, não por todas as cargas dentro do volume limitado por aquela superfície.

Como exemplo, podemos considerar um problema com dois dielétricos infinitamente estendidos com diferentes ε e com uma interface entre dois meios penetrados por um campo externo E.

Se ε2> ε1, levando em consideração que E1n / E2n = ε2 / ε1 e E1t = E2t, uma vez que apenas o componente normal do vetor E muda, apenas a direção do vetor E muda.

Obtivemos a lei de refração do vetor intensidade E.

A lei da refração para um vetor D é semelhante a D = εε0E e isso é ilustrado na figura: