Was ist elektrische Polarisation und wie beeinflusst sie unser tägliches Leben?

Polarisationsdichte auch bekannt als "elektrische Polarisation" oder einfach nur "Polarisation" entscheidet über die Reaktion eines Objekts auf ein elektrisches Feld. Es ist auch für die Veränderungen verantwortlich, die ein elektrisches Feld aufgrund von Materialien erfährt, die sich in seinem Einflussbereich befinden.

Verschiedene Materialien weisen unterschiedliche elektrische Polarisationen auf – d. h. ihre Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld führt zu unterschiedlichen Kräften in der Natur. Als wesentliches Prinzip von Elektromagnetismus, elektrische Polarisation erklärt vernünftigerweise die Verschiebung geladener Elementarteilchen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes.

Definition der elektrischen Polarisation

Bevor Sie die Definition der Polarisation durchgehen, müssen Sie zuerst das Konzept des Dielektrikums verstehen, das eine wichtige Rolle bei der Erklärung der Polarisationsdichte und verschiedener anderer Phänomene in der Physik spielt. Im Allgemeinen ein Material, das als schlechter Stromleiter fungiert, aberunterstützt ein elektrisches Feld und lässt sich leicht polarisieren, kann als Dielektrikum betrachtet werden. Einige Beispiele für dielektrische Materialien sind Kunststoff, Glas und Porzellan.

Wenn nun ein dielektrisches Material in einem elektrischen Feld polarisiert wird, kommt es innerhalb des Systems zu einer Trennung von positiver und negativer Ladung. Das Maß dieser Trennung innerhalb eines Systems wird als bezeichnet.Dipolmoment.

Die elektrische Polarisation einer Substanz ist definiert als das elektrische Dipolmoment, das pro Volumeneinheit eines dielektrischen Materials induziert wird. Es ist im Grunde ein Vektorfeld, das die Dichte permanenter oder induzierter elektrischer Dipolmomente in einem dielektrischen Material definiert. Wenn ein dielektrisches Material gewinntein elektrisches Dipolmoment, gilt es als polarisiert.

Polarisierung wird oft mit Magnetisierung verglichen, was die Reaktion von Materialien in einem Magnetfeld erklärt. Die Polarisationsdichte wird mit P bezeichnet und seine SI-Einheit ist Coulomb pro QuadratmeterC/m².

Wie wird die elektrische Polarisation gemessen?

Wenn ein Material in ein elektrisches Feld gebracht wird, kann erwartet werden, dass sich die gebundenen geladenen Elemente des dielektrischen Materials frei bewegen, aber sie können sich nicht bewegen, da sie durch molekulare und atomare Bindungen zusammengehalten werden. Das angelegte elektrische Feld kann jedochbewirken eine leichte Positionsänderung von positiv und negativ geladenen Teilchen. Wenn also Elektronen leicht in Richtung der positiven Atomkerne geschoben werden, ändert sich eine Seite des Atoms etwas negativ, während die andere leicht positiv wird und diese Ladungsverschiebung zu einer elektrischen Polarisation führt.

Die positiv geladenen Teilchen bewegen sich in Richtung des angelegten Feldes und die negativ geladenen Teilchen in die entgegengesetzte Richtung. Die Polarisationsdichte P des Materials ist dann gegeben als:

P = ∆p/∆V

hier,
∆p = Dipolmoment trat aufgrund der Ladungsverschiebung auf.
∆V = Volumen des dielektrischen Materials

Da das Dipolmoment an verschiedenen Stellen innerhalb des Dielektrikums variiert, ist die elektrische Polarisation für ein infinitesimales Volumen dV des Dielektrikums:

P = dp/dV

Die induzierte Polarisation, die in einem gegebenen Volumen eines Materials durch die Wirkung eines elektrischen Feldes erzeugt wird, wird als Dielektrizitätskonstante κ gemessen, sie wird auch als die relative Dielektrizitätskonstante eines Materials definiert. Dies stellt die Fähigkeit eines Materials darum elektrostatische Flusslinien zu konzentrieren, oder die Fähigkeit eines Materials, elektrische Energie in Gegenwart eines elektrischen Feldes zu speichern.

κ = E/E_o

Hier:

E = Dielektrizitätskonstante des Materials
E_o= Vakuumpermittivität

Die Permittivität beeinflusst die Coulomb-Kraft, die zwischen zwei Punktladungen in einem Material existiert.

Arten der dielektrischen Polarisation

Piezoelektrische Materialien wie Quarz erfahren Polarisation nicht aufgrund des elektrischen Felds, sondern aufgrund mechanischer Spannung. In ähnlicher Weise ist die mechanische Spannung oder der Dehnungsgradient die Ursache der Polarisation in vielen festen dielektrischen Materialien, und dieses Phänomen ist als bekannt.flexoelektrischer Effekt.

Es gibt hauptsächlich vier Kategorien, in die die dielektrische Polarisation eingeteilt wird:

1. Elektrische Polarisation

Auch als Atompolarisation bekannt, tritt die elektrische Polarisation aufgrund der Trennung des Zentrums positiver Ladung und des Zentrums negativer Ladung in den Atomen eines Materials in Gegenwart eines elektrischen Felds auf. Das induzierte Dipolmoment, in diesem Fall,wird direkt proportional zum angelegten Feld gefunden.

2. Ionische Polarisation

Es gibt einige dielektrische Materialien wie NaCl und LiBr, in denen Atome durch Ionenbindungen zusammengehalten werden. In solchen Materialien tritt eine induzierte Polarisation auf, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird und die Kationen und Anionen werden in entgegengesetzte Richtungen verschoben, wodurch ein Nettodipolmoment entsteht.

Wenn jedoch kein elektrisches Feld vorhanden ist, ist die Nettopolarisation innerhalb des dielektrischen Materials Null, da positive und negative Ionen sich gegenseitig aufheben und kein Nettodipolmoment erzeugt wird.

3. Orientierungspolarisation

Orientierungspolarisation entsteht, wenn im Material ein permanentes Dipolmoment vorhanden ist. Materialien wie HCl und H₂O hat ein permanentes Nettodipolmoment, da die Ladungsverteilungen dieser Moleküle verzerrt sind. Wenn also ein elektrisches Feld angelegt wird, beginnen die Moleküle zu rotieren, um sich in Feldrichtung auszurichten, und es entsteht eine Polarisation.

Die Orientierungspolarisation wird auch von der Temperatur beeinflusst, thermische Bewegung in dipolaren Molekülen führt zur Aufhebung des Netto-Dipolmoments wenn kein elektrisches Feld angelegt wird. Dies ist auch der Grund, warum die Auswahl von dielektrischem Material für elektronische oder optische Anwendungenwird manchmal auf der Grundlage ihrer Temperaturabhängigkeit hergestellt.

4. Raumladungspolarisation

Raumladungspolarisation tritt auf, wenn ein äußeres Feld eine Ladungsakkumulation an einer Grenzfläche zwischen zwei Materialien oder zwischen zwei Bereichen innerhalb eines Materials verursacht. Das elektrische Feld verursacht aufgrund der isolierenden Eigenschaften des dielektrischen Materials ein Ladungsungleichgewicht.

Es tritt im Allgemeinen in zusammengesetzten dielektrischen Materialien auf, z. B. zwischen Elektroden, die mit einer dielektrischen Substanz verbunden sind. ÜberraschenderweiseSchnittstellenpolarisation kann im Gegensatz zur ionischen oder Orientierungspolarisation auch einen Einfluss auf freie Ladungen ausüben.

Interessante Fakten über Polarisierung

Polarisation ist nicht nur auf Dielektrika beschränkt, sondern wird auch in beobachtetelektromagnetische Strahlung, wie Lichtstrahlen. Es ist ein wesentlicher Bestandteil des Elektromagnetismus und hat je nach Medium und Art verschiedene Anwendungen:

• Zeitbereichsreflektometrie ist eine Technik, die elektrische Polarisation als Mittel verwendet, um Verunreinigungen erkennen im Boden. Dieser Prozess ist inspiriert von der Methode der induzierten Polarisation, die bei der Mineral- und Grundwasserexploration verwendet wird.
• Piezoelektrische Wandler können Schallenergie in ein elektrisches Feld umwandeln und werden in Anwendungen wie Mikrofonen, medizinischen Bildgebungsgeräten, verwendet E-Gitarren und zerstörungsfreie industrielle Prüfverfahren.
• Polarisationsmethoden werden verwendet, um die Symmetrie oder Asymmetrie Chiralität in organischen Verbindungen zu bestimmen.
• Stressanalysetests in Kunststoffproduktionsanlagen werden mit Polaroidfiltern durchgeführt, und Polarisation ist auch bei der Untersuchung von Erdbeben und Transversalwellen wichtig.
• Polarisierte 3D-Brillen ermöglichen es Ihnen, Filme in 3D zu erleben, um eine Illusion dreidimensionaler Bilder zu erzeugen, indem das Licht, das jedes Auge erreicht, eingeschränkt wird. Die Verwendung von polarisierten Sonnenbrillen ist ebenfalls üblich, solche Gläser werden normalerweise mit einer Chemikalie behandelt, die in avertikales Muster, das horizontales Licht blockiert, um Blendung zu vermeiden.

Die Hauptaufgabe der dielektrischen Polarisation besteht darin, den Zusammenhang zwischen den makroskopischen Eigenschaften eines Materials und seinen mikroskopischen Eigenschaften zu erklären. Ohne dieses Prinzip zu verstehen, bleiben viele Geheimnisse der klassischen Elektrodynamik ungelöst.