Dielectrici

Efectul dielectric. Definiţii. Caracterizare

Efectul dielectric constă în separarea centrului sarcinilor electrice pozitive de cel al sarcinilor electrice negative dintr-un ansamblu de sarcini electrice, sub acţiunea unui câmp electric. Acţiunea câmpului electric se manifestă prin forţa electrică (sau forţa coulombiană)

(1)

care deplasează pe direcţia forţei, în sensuri opuse sarcinile pozitive şi negative, Fig.1.

Fig.1

Noua configuraţie a sitemului de sarcini este caracterizată prin mărimea fizică numită moment de dipol electric; acesta este o mărime vectorială, definită prin relaţia

(2)

unde este distanţa dintre centrele celor două sarcini, iar , Fig.2.

Fig.2

Unitatea de măsură în SI este [Cm].

In aproximaţia răspunsului linear,

(3)

unde coeficientul reprezintă polarizabilitatea materialului.

Materia care ne înconjoară şi a cărei parte constituientă suntem, are ca unitate indestructibilă atomul; acesta este un ansamblu de sarcini electrice negative ale electronilor şi sarcina pozitivă a nucleului. Momentul de dipol indus prin acţiunea câmpului electric asupra unui atom, se numeşte moment de dipol elementar, sau dipole.. Astfel, efectul dielectric constă în inducerea momentului de dipol elementar, sub acţiunea câmpului electric.

Cea mai mare parte a materialelor cunoscute, sunt substanţe compuse, a căror unitate chimică este molecula (formată din doi sau mai mulţi atomi). In aceste materiale, momentul de dipol elementar se induce la nivelul moleculei, prin acelaşi efect dielectric din cazul atomului. In cazul particular al unor materiale, molecula este stabilă într-o configuraţie a atomilor în care sarcina electrică este distribuită astfel încât se induce moment de dipol în absenţa unui câmp electric extern (această configuraţie este justificată de mecanica cuantică). In acest caz, momentul de dipol molecular, se numeşte moment de dipol permanent, iar molecula se numeşte dipolară . Din această categorie, fac parte: apa (1), acidul clorhidric (2) Fig.3.

Fig.3

Sarcina electrică din materiale nu este liberă. In atomul liber, sarcina negativă a electronilor se află sub acţiunea forţei de atracţie exercitată de sarcina electrică pozitivă a nucleului. Intre atomii unei molecule au loc schimburi de sarcină electrică sau colectivizarea unei părţi a sarcinii electrice în mecanismul legăturilor chimice care asigură coeziunea moleculei. Intr-un material, între atomii constituienţi se exercită forţe de atracţie şi de respingere de natură eminamente electrostatică. Când cele două tipuri de forţe sunt în echilibru, se realizează condiţia de coeziune, şi deci de stabilitate în condiţiile date, a materialului respectiv.

Sistemul material este un anasamblu de un număr foarte mare de particule încărcate, în interacţiune, astfel încât, acţiunea unui câmp electric aplicat trebuie analizată ţinând cont de starea tuturor acestor particule.

Efectul dielectric se manifestă în toate materialele, simple sau compuse, indiferent de starea lor de agregare. Dipolii elementary, induşi sau permanenţi, se orientează preferenţial paralel cu câmpul aplicat, aceasta fiind starea de energie cea mai joasă a sistemului. Energia de orientare a unui dipol în câmpul , are expresia

(4)

fiind unghiul dintre direcţia câmpului şi direcţia dipolului. Scăderea energiei sistemului are loc pentru configuraţia în care , Fig.4.

Acest curs a fost predat in cadrul Facultatii de Fizica din Bucuresti.Cursul are ca punct de plecare notiuni elementare despre dielectrici ,iar pe parcus se dezbat din ce in ce mai in detaliu anumite subiecte mai fine ,dar ilustratiile multiple in fac accesibil unui mare numar de studenti.Cursul este de 2007 fiind updatat la ultimele noutati.