פרק 10 - שדות חשמליים בחומר: Difference between revisions

From EM Fields - TAU
Jump to navigation Jump to search
No edit summary
RonelM (talk | contribs)
No edit summary
Line 1: Line 1:
<div lang="he" dir="rtl" class="mw-content-rtl">
<div lang="he" dir="rtl" class="mw-content-rtl">
כבר דיברנו על זרם בחומרים מוליכים.
את תגובת החומר (הזרם שנוצר כתוצאה מהפעלת שדה חשמלי כלשהו) תארנו באמצעות חוק אוהם:
<math display="block">\vec J = \sigma \vec E</math>בפרק זה ננסה להסביר מעט יותר טוב מאיפה חוק זה נובע, באמצעות מודל פשטני אך יעיל.
== שדות חשמליים בחומר ==
== שדות חשמליים בחומר ==


Line 5: Line 11:
בחומרים מוליכים בעלי פילוג מטען ρ וחלקיקים הנעים במהירות <math>\vec{v}(\vec{r})</math>, ניתן לרשום ביטוי לצפיפות הזרם:<math display="block">\vec J=\rho(r) \cdot \vec v(r) = n \cdot q \cdot \vec v(r)</math>כאשר <math>n</math> היא צפיפות החלקיקים נושאי המטען ליח' נפח ו-<math>q</math> מטענו של כל חלקיק.
בחומרים מוליכים בעלי פילוג מטען ρ וחלקיקים הנעים במהירות <math>\vec{v}(\vec{r})</math>, ניתן לרשום ביטוי לצפיפות הזרם:<math display="block">\vec J=\rho(r) \cdot \vec v(r) = n \cdot q \cdot \vec v(r)</math>כאשר <math>n</math> היא צפיפות החלקיקים נושאי המטען ליח' נפח ו-<math>q</math> מטענו של כל חלקיק.


כאשר יש יותר מסוג אחד של חלקיקים:<math display="block">\vec J=\rho(r) \cdot \vec v(r) = n_1 \cdot q_1 \cdot \vec v_1 + n_2 \cdot q_2 \cdot \vec v_2</math>אם יש יותר מ-2 סוגים:<math display="block">\vec J= \sum n_k \cdot q_k \cdot \vec v_k</math>
כאשר יש יותר מסוג אחד של חלקיקים:<math display="block">\vec J=\rho(r) \cdot \vec v(r) = n_1 \cdot q_1 \cdot \vec v_1 + n_2 \cdot q_2 \cdot \vec v_2</math>אם יש יותר מ-2 סוגים:<math display="block">\vec J= \sum n_k \cdot q_k \cdot \vec v_k</math>כאשר <math>q_k</math> יכול להיות גם שלילי וגם חיובי (מה שיוביל לצפיפות זרם הפוכה בכיוונה).


=== מודל Drude ===
=== מודל Drude ===
Line 14: Line 20:
מקובל לסמן <math>\mu = \frac{q}{\nu}</math> - מוביליות נושאי המטען.
מקובל לסמן <math>\mu = \frac{q}{\nu}</math> - מוביליות נושאי המטען.


אם נציב את הביטוי ל-<math>\vec v_d  </math> במשוואה המתארת את צפיפות הזרם, נקבל:<math display="block">\vec J= \sum n_k \cdot q_k \cdot \vec v_k = \sum n_k \cdot q_k \cdot \frac{q_k}{\nu_k} \vec E = [\sum n_k \cdot \frac{q_k^2}{\nu_k}] \vec E = \sigma \vec E</math>כלומר, קיבלנו מתוך מודל דרודה את חוק אוהם, כאשר <math>\sigma</math> המוליכות הסגולית.
אם נציב את הביטוי ל-<math>\vec v_d  </math> במשוואה המתארת את צפיפות הזרם, נקבל:<math display="block">\vec J= \sum n_k \cdot q_k \cdot \vec v_k = \sum n_k \cdot q_k \cdot \frac{q_k}{\nu_k} \vec E = \underbrace{\sum n_k \cdot \frac{q_k^2}{\nu_k}}_{\equiv \sigma} \vec E = \sigma \vec E</math>כלומר, קיבלנו מתוך מודל דרודה את חוק אוהם, כאשר <math>\sigma</math> המוליכות הסגולית.
 
את משוואות השדה ותנאי השפה בחומר המקיים את חוק אוהב כבר ראינו בהרצאה הקודמת.


=== פולריזציה ===
=== פולריזציה ===
כאשר מופעל שדה חיצוני, הוא "מעוות" את ענן האלקטרונים (פונקציית הגל). המיקום הממוצע של האלקטרונים הנתון על ידי הביטוי:<math display="block">\int \vec r \psi(r,t)\cdot \psi^*(r,t)dr</math>בהפעלת השדה, המיקום הממוצע של האלקטרונים כבר לא יהיה במרכז וייווצר דיפול שקול בחומר.
לא תמיד יש אלקטרונים שחופשיים לנוע, לפעמים האלקטרונים "קשורים" אבל יכולה להיות סטייה במיקומם.
 
מיקום האלקטרון מתואר ע"י פונקציית גל קוונטית Ψ שמתארת לנו את ההסתברות למצוא את האלקטרון במיקום מסוים סביב העולם.
כאשר מופעל שדה חיצוני, הוא "מעוות" את ענן האלקטרונים (פונקציית הגל). ולכן המיקום הממוצע של האלקטרונים הנתון על ידי הביטוי:<math display="block">\int \vec r \psi(r,t)\cdot \psi^*(r,t)dr</math>בהפעלת השדה, המיקום הממוצע של האלקטרונים כבר לא יהיה במרכז וייווצר דיפול שקול בחומר.


יש חומרים (כמו מים) שלמולקולות שמרכיבות אותם יש מומנט דיפול באופן טבעי, ואז הפעלה של שדה חשמלי חיצוני "מיישרת" את כל הדיפולים בכיוון השדה.
יש חומרים (כמו מים) שלמולקולות שמרכיבות אותם יש מומנט דיפול באופן טבעי, ואז הפעלה של שדה חשמלי חיצוני "מיישרת" את כל הדיפולים בכיוון השדה.


==== מודל מקרוסקופי ====
==== מודל מקרוסקופי ====
נניח שמומנט הדיפול של כל אטום או מולקולה הוא <math>\vec P_{atom}</math> ולכן סה"כ הדיפול של כל התיבה: <math>\vec P = N \cdot \vec P_{atom}</math>. נוכל להגדיר את צפיפות הדיפולים הנפחית בתור היחס בין מומנט הדיפול לנפח. בהינתן <math>\vec P</math>, אפשר לרשום
המודל המיקרוסקופי אותו תארנו אינו קשור באופן ישיר למשוואות מקסוול. המטרה שלנו, כעת, היא למצוא פרמטרים מיקרוסקופיים ממוצעים, שאותם נוכל להציב במשוואות מקסוול ולפתור את השדות בנוכחות חומרים.
 
מבחינתנו, התגובה של חומר (או כל מערכת אחרת) להפעלה של שדה חשמלי עליה יכולה להיות מתוארת על ידי הווצרות של פילוג מטען בתגובה להפעלת השדה החיצוני.


מאחר וסך הכל מטען הפולריזציה צריך להיות אפס:<math display="block">Q_{p,surface} = \oint \vec P \cdot \vec {da}</math><math display="block">Q_{p,volume} = -\oint \vec P \cdot \vec {da}</math>נביט בקשר הזה, עבור נפח קטן <math>\Delta v</math>:<math display="block">\rho_p = \frac{Q_{p,volume}}{\Delta v}= -\frac{1}{\Delta v} \oint \vec P \cdot \vec {da} \overset{\underset{\mathrm{\Delta v \rightarrow 0}}{}}{=} -\nabla\cdot\vec P</math><math display="block">\Rightarrow \rho_p = -\nabla\cdot\vec P</math>נשים לב לכך שאם <math>\vec P</math> אחיד, אז <math>\rho_p = 0</math>.
מהרגע שהבנו מהו פילוג המטען ש"הושרה" בחומר בתגובה להפעלת השדה החיצוני, אפשר לחשב את השדה '''המלא''' כשדה שנוצר ע"י המקורות החיצוניים.
 
נניח שמומנט הדיפול של כל אטום או מולקולה הוא <math>\vec P_{atom}</math> ולכן סה"כ הדיפול של כל התיבה: <math>\vec P = N \cdot \vec P_{atom}</math>. נוכל להגדיר את צפיפות הדיפולים הנפחית בתור היחס בין מומנט הדיפול לנפח:
 
<math display="block">\vec P = \frac{\vec p}{\delta v} = \frac{\vec p}{\delta \vec A \cdot \delta \vec l}</math>
 
בהינתן <math>\vec P</math>, אפשר לרשום:
 
<math display="block">\vec p = \vec P \cdot \delta v =
(\vec P \cdot \delta \vec A) \delta \vec l = \delta Q \cdot \delta \vec l</math>את הפולריזציה ניתן לייצג כאילו על פאה יש מטען <math>\partial Q = \vec p \cdot \partial \vec A</math> והם מופרדים זה מזה במרחק של <math>\partial \vec l </math>.
 
עבור איזושהי חתיכה של חומר:
 
<math display="block">Q_{p,surface} = \oint \vec P \cdot \vec {da}</math>מאחר וסך הכל מטען הפולריזציה צריך להיות אפס:<math display="block">Q_{p,volume} = -\oint \vec P \cdot \vec {da}</math>נביט בקשר הזה, עבור נפח קטן <math>\Delta v</math>:<math display="block">\rho_p = \frac{Q_{p,volume}}{\Delta v}= -\frac{1}{\Delta v} \oint \vec P \cdot \vec {da} \overset{\underset{\mathrm{\Delta v \rightarrow 0}}{}}{=} -\nabla\cdot\vec P</math><math display="block">\Rightarrow \rho_p = -\nabla\cdot\vec P</math>נשים לב לכך שאם <math>\vec P</math> אחיד, אז <math>\rho_p = 0</math>.


==== צפיפות משטחית של מטעני הפולריזציה ====
==== צפיפות משטחית של מטעני הפולריזציה ====


==== נוכל למצוא ביטוי לצפיפות המשטחית מחוק גאוס:<math display="block">Q_{in} = \oint \epsilon_0 \vec E \cdot \vec {da} \Rightarrow \eta = \hat n (\epsilon_0 \vec E_2 - \epsilon_0 \vec E_1)</math>ומסך המטען:<math display="block">Q_{p} = -\oint \vec P \cdot \vec {da} \Rightarrow \eta_p = -\hat n (\vec P _2 - \vec P_1)</math>זרמי פולריזציה ====
==== נוכל למצוא ביטוי לצפיפות המשטחית מחוק גאוס: ====
נסתכל על השינוי בזמן באלמנט מטען קטן <math>\delta Q = \vec P \cdot \delta \vec A </math>:<math display="block">I = \frac{d(\delta Q)}{dt} = \frac{d}{dt}(\vec P \cdot \delta \vec A) = \frac{d\vec P}{dt} \cdot \delta \vec A = \vec J_p \cdot \delta \vec A</math>כאשר השינוי בזמן של <math>\vec P</math> מוגדר על ידי זרם אפקטיבי שחולף בתיבה - זרם פולריזציה <math>\vec J_p</math>.


ביחד עם הקשר <math>\rho_p  = - \nabla \cdot \vec P </math> נקבל את חוק שימור מטען הפולריזציה:<math display="block">\nabla \cdot \vec J_p = - \frac{d\rho_p}{dt}</math>אם נגזור בזמן את הביטוי שקיבלנו עבור צפיפות המטען המשטחית, נקבל:<math display="block">\frac{d\eta_p}{dt} = -\hat n (\vec J_{2,p}- \vec J_{1,p})</math>כלומר, אין זרמי פולריזציה משטחיים! (אלא אם יש תנועה מכנית)
==== <math display="block">Q_{in} = \oint \epsilon_0 \vec E \cdot \vec {da} \Rightarrow \eta = \hat n (\epsilon_0 \vec E_2 - \epsilon_0 \vec E_1)</math>ומסך המטען: ====
 
==== <math display="block">Q_{p} = -\oint \vec P \cdot \vec {da} \Rightarrow \eta_p = -\hat n (\vec P _2 - \vec P_1)</math>זרמי פולריזציה ====
נסתכל על השינוי בזמן באלמנט מטען קטן <math>\delta Q = \vec P \cdot \delta \vec A </math>:<math display="block">I = \frac{d(\delta Q)}{dt} = \frac{d}{dt}(\vec P \cdot \delta \vec A) =
 
\underbrace{\frac{d\vec P}{dt}}_{\equiv \vec J_p} \cdot \delta \vec A =
\vec J_p \cdot \delta \vec A</math>כאשר השינוי בזמן של <math>\vec P</math> מוגדר על ידי זרם אפקטיבי שחולף בתיבה - זרם פולריזציה <math>\vec J_p</math>.
 
ביחד עם הקשר <math>\rho_p  = - \nabla \cdot \vec P </math> נקבל את חוק שימור מטען הפולריזציה:<math display="block">\nabla \cdot \vec J_p = - \frac{d\rho_p}{dt}</math>נקבל:
<math display="block">\eta_p = -\hat n (\vec P_2 - \vec P_1)</math>
אם נגזור בזמן את הביטוי שקיבלנו עבור צפיפות המטען המשטחית, נקבל:<math display="block">\frac{d\eta_p}{dt} =  
=-\hat n (\frac{\partial \vec P_2}{\partial t} -\frac{\partial \vec P_1}{\partial t})
-\hat n (\vec J_{2,p}- \vec J_{1,p})</math>כלומר, אין זרמי פולריזציה משטחיים! (אלא אם יש תנועה מכנית)


=== משוואות מקסוול בחומר ===
=== משוואות מקסוול בחומר ===
Line 46: Line 83:
\hat n \times (H_2-H_1) = K_f\\
\hat n \times (H_2-H_1) = K_f\\
\hat n \cdot (\mu_0H_2 - \mu_0H_1) = 0
\hat n \cdot (\mu_0H_2 - \mu_0H_1) = 0
\end{cases}</math>
\end{cases}</math>נשים לב, כי ניסוח משוואות מקסוול אותן יש לפתור בסופו של דבר הצריך 3 צעדים עיקריים:
 
# מידול התגובה המקרוסקופית של החומר (ענן אלקטרונים שמוסט כתוצאה מהפעלת שדה חשמלי חיצוני), וחישוב פילוג המקורות שנוצר בעקבותיה.
# הגדרת וקטור פולריזציה רציף בעזרת המודל המיקרוסקופי. אנחנו למעשה הגדרנו איזשהו תא יחידה, והנחנו שמיצוע פשוט של הדיפולים בתא היחידה הזה יתן את וקטור הפולריזציה. צעד זה נסמך למעשה על תאוריית הלאוזייס - מזוטי, על אף שהיא נפוצה, היא לא מדויקת ובמקרים רבים לא ניתן להשתמש בה כדי להסביר תופעות ניסיוניות.
# מתוך וקטור הפולריזציה חישוב התפלגות מטען הפולריזציה המקרוסקופיץ צעד זה אינו בעייתי ותמיד נכון, כל עוד אנחנו עובדים בתחום שבו ניתן להגדיר וקטור פולריזציה מקרוסקופי.


=== דוגמה ===
=== דוגמה ===
Line 57: Line 98:
==== משוואות מקסוול בחומר - וקטור ההעתקה ====
==== משוואות מקסוול בחומר - וקטור ההעתקה ====
נוכל לרשום את משוואות מקסוול בנוכחות פולריזציה בעזרת וקטור ההעתקה <math>\vec D = \epsilon_0 \vec E + \vec P</math>, צפיפות שטף חשמלי:<math display="block">\begin{cases}  
נוכל לרשום את משוואות מקסוול בנוכחות פולריזציה בעזרת וקטור ההעתקה <math>\vec D = \epsilon_0 \vec E + \vec P</math>, צפיפות שטף חשמלי:<math display="block">\begin{cases}  
\nabla \cdot (\epsilon_0 \vec E) = \rho _f + (-\nabla \cdot P) \Rightarrow \nabla \cdot (\epsilon_0 \vec E + \vec P) = \rho_f\\
\nabla \cdot (\epsilon_0 \vec E) = \rho _f + (-\nabla \cdot P) \Rightarrow \nabla \cdot \underbrace{(\epsilon_0 \vec E + \vec P)}_{\equiv \vec D \text{ - displacement vector}} = \rho_f\\
\nabla \times \vec H = \frac{\partial(\epsilon_0 \vec E)}{\partial t} + \vec J_f + \frac{\partial \vec P}{\partial t} \Rightarrow \nabla \times \vec H = \frac{\partial}{\partial t}(\epsilon_0\vec E + \vec P) + \vec J_f\\
\nabla \times \vec H = \frac{\partial(\epsilon_0 \vec E)}{\partial t} + \vec J_f + \frac{\partial \vec P}{\partial t} \Rightarrow \nabla \times \vec H = \frac{\partial}{\partial t}(\epsilon_0\vec E + \vec P) + \vec J_f\\
\hat n \cdot (\epsilon_0 E_2 - \epsilon_0 E_1) = \eta_f + (-\hat n \cdot [P_2-P_1]) \Rightarrow \hat n \cdot ((\epsilon_0 \vec E_2 + \vec P_2) - (\epsilon_0 \vec E_1 + \vec P_1)) = \eta_f
\hat n \cdot (\epsilon_0 E_2 - \epsilon_0 E_1) = \eta_f + (-\hat n \cdot [P_2-P_1]) \Rightarrow \hat n \cdot ((\epsilon_0 \vec E_2 + \vec P_2) - (\epsilon_0 \vec E_1 + \vec P_1)) = \eta_f
Line 72: Line 113:
\end{cases}</math>המקורות לשדה ההעתקה <math>\vec D</math> הם המטענים '''<u>החופשיים</u>''' בבעיה.
\end{cases}</math>המקורות לשדה ההעתקה <math>\vec D</math> הם המטענים '''<u>החופשיים</u>''' בבעיה.


* מנגנונים ליצירת פולריזציה
'''מנגנונים ליצירת פולריזציה:'''
* Pyroelectric materials
 
* Piezoelectric materials
* Pyroelectric materials (נוצרת פולריזציה בתגובה לשינוי בטמפרטורה)
* Ferroelectric materials
* Piezoelectric materials (נוצרת פולריזציה בתגובה להפעלת מאמץ חיצוני)
* Ferroelectric materials (קיים תהליך טבעי שיוצר פולריזציה בלי הפעלת השפעה חיצונית)
* Bi-anisotropic materials
* Bi-anisotropic materials


Line 85: Line 127:
=== תכונות של חומרים לינאריים ===
=== תכונות של חומרים לינאריים ===


* איזוטרופיות - החומר מגיב באופן זהה לכל הכיוונים של השדה שמופעלים עליו (או בתוכו). כלומר, <math>\epsilon </math> ו-<math>\chi_e </math> הם סקלרים. אם זה לא כך, <math>\epsilon </math> ו-<math>\chi_e </math> הן מטריצות. במצב זה נוכל לכתוב את שדה ההעתקה באופן הבא:<math display="block">\vec D = \epsilon_0 \vec E + \vec P = \epsilon_0(\mathbb{I} + \chi_e) \vec E = \epsilon_0\epsilon_r \vec E</math>לדוגמה, אם <math>\chi_e </math> תהיה מטריצה <math>3\times3</math>, גם <math>\epsilon </math> תהיה מטריצה מסדר זה.  
* איזוטרופיות - החומר מגיב באופן זהה לכל הכיוונים של השדה שמופעלים עליו (או בתוכו). כלומר, <math>\epsilon </math> ו-<math>\chi_e </math> הם סקלרים. אם זה לא כך, <math>\epsilon </math> ו-<math>\chi_e </math> הן מטריצות. במצב זה נוכל לכתוב את שדה ההעתקה באופן הבא:<math display="block">\vec D = \epsilon_0 \vec E + \vec P = \epsilon_0(\mathbb{I} + \chi_e) \vec E = \epsilon_0\epsilon_r \vec E</math>לדוגמה, אם <math>\chi_e </math> תהיה מטריצה <math>3\times3</math>, גם <math>\epsilon </math> תהיה מטריצה מסדר זה.
* הומוגניות - כאשר תכונות החומר, <math>\epsilon </math>, לא תלויות במיקום. כאשר התווך אינו הומוגני מתקיים <math>\epsilon =  \epsilon(\vec r) </math>
* הומוגניות - כאשר תכונות החומר, <math>\epsilon </math>, לא תלויות במיקום. כאשר התווך אינו הומוגני מתקיים <math>\epsilon =  \epsilon(\vec r) </math>


Line 91: Line 133:


=== מטען נקודתי בתוך חומר דיאלקטרי ===
=== מטען נקודתי בתוך חומר דיאלקטרי ===
כאשר עסקנו במטען נקודתי בואקום, השדה אותו יוצר המטען למעשה מקיים:
<math display="block">\nabla \cdot \vec E = \frac{\rho}{\epsilon_0}=\frac{\delta(r-r_0)}{\epsilon_0}
\Rightarrow
\nabla^2 \phi =-\frac{\delta(r-r_0)}{\epsilon_0}</math>התוצאה היא כמובן הפוטנציאל:
<math display="block">\phi = \frac{q}{4\pi \epsilon_0 |r-r'|}</math>


==== תווך אינסופי ====
==== תווך אינסופי ====
Line 99: Line 148:
\vec E = \frac{q}{4\pi \epsilon r^2}\cdot \hat r \qquad r < a\\
\vec E = \frac{q}{4\pi \epsilon r^2}\cdot \hat r \qquad r < a\\
\vec E = \frac{q}{4\pi \epsilon_0 r^2}\cdot \hat r \qquad r > a
\vec E = \frac{q}{4\pi \epsilon_0 r^2}\cdot \hat r \qquad r > a
\end{cases}</math>תנאי שפה עבור <math>\vec E</math> בוואקום:<math display="block">\hat n \cdot (\epsilon_0 \vec E_2 - \epsilon_0 \vec E_1) = \eta_{tot} = \eta_f + \eta_{pol}</math>נמצא את הפולריזציה:<math display="block">\vec D = \epsilon \vec E = \epsilon_0 \vec E + \vec P \Rightarrow \vec P = (\epsilon - \epsilon_0)\vec E</math><math display="block">\begin{cases}
\end{cases}</math>תנאי שפה עבור <math>\vec E</math> בוואקום:<math display="block">\hat n \cdot (\epsilon_0 \vec E_2 - \epsilon_0 \vec E_1) = \eta_{tot} = \eta_f + \eta_{pol}</math>נמצא את הפולריזציה:<math display="block">\vec D = \epsilon \vec E = \epsilon_0 \vec E + \vec P \Rightarrow \vec P = (\epsilon - \epsilon_0)\vec E</math><math display="block">\vec P=\begin{cases}
\vec P = \frac{q}{4\pi \epsilon r^2}\cdot \hat r)(\epsilon - \epsilon_0) \qquad r < a\\
\vec \frac{q}{4\pi \epsilon r^2}\cdot \hat r(\epsilon - \epsilon_0) \qquad r < a\\
\vec P = 0 \qquad\qquad\qquad\qquad\ \ r > a
0 \qquad\qquad\qquad\qquad\ \ r > a
\end{cases}</math>כעת נוכל למצוא את צפיפות המטען המשטחית (על שפת הכדור) הנובעת ממטעני הפולריזציה:<math display="block"> \eta_p = -\hat r \cdot (\vec P_{out} - \vec P_{in}) = \frac{q}{4\pi\epsilon a^2} \cdot (\epsilon - \epsilon_0)</math><math display="block"> Q_p = q \frac{\epsilon - \epsilon_0}{\epsilon}</math>סך מטעני הפולריזציה חייב להיות אפס. את המטען עצמו נוכל לקבל מחוק גאוס:<math display="block">\int \epsilon_0 \vec E \cdot \hat n ds = Q_f + Q_{pol}</math><math display="block">\epsilon_0 \frac{q}{4\pi\epsilon r^2} 4\pi r^2 = q + Q_{pol}</math><math display="block">\frac{\epsilon_0}{\epsilon}q = q + Q_{pol} \Rightarrow Q_{pol} = \frac{-\epsilon + \epsilon_0}{\epsilon}q</math>וזהו בדיוק <math>-Q_p</math> כך שסך מטען הפולריזציה הוא אכן אפס.
\end{cases}</math>כעת נוכל למצוא את צפיפות המטען המשטחית (על שפת הכדור) הנובעת ממטעני הפולריזציה:<math display="block"> \eta_p = -\hat r \cdot (\vec P_{out} - \vec P_{in}) = \frac{q}{4\pi\epsilon a^2} \cdot (\epsilon - \epsilon_0)</math><math display="block"> Q_p = q \frac{\epsilon - \epsilon_0}{\epsilon}</math>סך מטעני הפולריזציה חייב להיות אפס. את המטען עצמו נוכל לקבל מחוק גאוס:<math display="block">\int \epsilon_0 \vec E \cdot \hat n ds = Q_f + Q_{pol}</math><math display="block">\epsilon_0 \frac{q}{4\pi\epsilon r^2} 4\pi r^2 = q + Q_{pol}</math><math display="block">\frac{\epsilon_0}{\epsilon}q = q + Q_{pol} \Rightarrow Q_{pol} = \frac{-\epsilon + \epsilon_0}{\epsilon}q</math>וזהו בדיוק <math>-Q_{p,surface}</math> כך שסך מטען הפולריזציה הוא אכן אפס.


=== דוגמה ===
=== דוגמה ===
Line 150: Line 199:
בתוך הקבל <math>\vec D </math> אחיד: <math>\vec D = D_0\hat z </math>. נסתכל על צפיפות המטען המשטחית על הלוח העליון:<math display="block"> \eta_f = \hat z \cdot (\vec D_{out} - \vec D_{in}) = -D_0</math>ולכן המטען ובהתאם הקיבול:<math display="block"> Q = |D_0|\cdot A \Rightarrow C = \frac{Q}{V}=\frac{|D_0|\cdot A}{V}</math>בשכבה ה-<math> i</math> מתקיים:<math display="block"> \vec D = \epsilon \vec E \Rightarrow D_0\hat z = \epsilon_i \vec E_i \Rightarrow \vec E_i = \frac{D_0}{\epsilon_i}\hat z </math>המתח הכולל יתקבל על ידי סכימה על הפוטנציאלים שנצברים בכל שכבה:<math display="block"> V = \sum\frac{D_0}{\epsilon_i}\cdot d_i \Rightarrow C = \frac{D_0\cdot A}{\sum\frac{D_0}{\epsilon_i}\cdot d_i}=\frac{A}{\sum\frac{d_i}{\epsilon_i}}=\frac{1}{\sum\frac{d_i}{\epsilon_iA}} </math>נשים לב לכך שהתוצאה שקיבלנו שקולה לחיבור קבלים בטור.
בתוך הקבל <math>\vec D </math> אחיד: <math>\vec D = D_0\hat z </math>. נסתכל על צפיפות המטען המשטחית על הלוח העליון:<math display="block"> \eta_f = \hat z \cdot (\vec D_{out} - \vec D_{in}) = -D_0</math>ולכן המטען ובהתאם הקיבול:<math display="block"> Q = |D_0|\cdot A \Rightarrow C = \frac{Q}{V}=\frac{|D_0|\cdot A}{V}</math>בשכבה ה-<math> i</math> מתקיים:<math display="block"> \vec D = \epsilon \vec E \Rightarrow D_0\hat z = \epsilon_i \vec E_i \Rightarrow \vec E_i = \frac{D_0}{\epsilon_i}\hat z </math>המתח הכולל יתקבל על ידי סכימה על הפוטנציאלים שנצברים בכל שכבה:<math display="block"> V = \sum\frac{D_0}{\epsilon_i}\cdot d_i \Rightarrow C = \frac{D_0\cdot A}{\sum\frac{D_0}{\epsilon_i}\cdot d_i}=\frac{A}{\sum\frac{d_i}{\epsilon_i}}=\frac{1}{\sum\frac{d_i}{\epsilon_iA}} </math>נשים לב לכך שהתוצאה שקיבלנו שקולה לחיבור קבלים בטור.


אם השתנות <math> \epsilon </math> רציפה <math> \epsilon=\epsilon(z) </math> נוכל לחלק לשכבות בעובי <math> dz </math> ונקבל:<math display="block"> \frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{A}\int\frac{dz}{\epsilon(z)} </math>
אם השתנות <math> \epsilon </math> רציפה <math> \epsilon=\epsilon(z) </math> נוכל לחלק לשכבות בעובי <math> dz </math> ונקבל:<math display="block"> \frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{A}\int\frac{dz}{\epsilon(z)} </math>במקור הגדרנו:
<math display="block">\vec p  = \alpha \vec E</math>נגדיר מחדש:
<math display="block">\vec  p = \epsilon_0 \alpha \vec E</math>כאשר:
<math display="block">[\alpha]=m^3</math>
</div>

Revision as of 15:03, 19 April 2022

כבר דיברנו על זרם בחומרים מוליכים.

את תגובת החומר (הזרם שנוצר כתוצאה מהפעלת שדה חשמלי כלשהו) תארנו באמצעות חוק אוהם:

J→=σE→בפרק זה ננסה להסביר מעט יותר טוב מאיפה חוק זה נובע, באמצעות מודל פשטני אך יעיל.

שדות חשמליים בחומר

חומרים מוליכים

בחומרים מוליכים בעלי פילוג מטען ρ וחלקיקים הנעים במהירות v→(r→), ניתן לרשום ביטוי לצפיפות הזרם:J→=ρ(r)⋅v→(r)=n⋅q⋅v→(r)כאשר n היא צפיפות החלקיקים נושאי המטען ליח' נפח ו-q מטענו של כל חלקיק.

כאשר יש יותר מסוג אחד של חלקיקים:J→=ρ(r)⋅v→(r)=n1⋅q1⋅v→1+n2⋅q2⋅v→2אם יש יותר מ-2 סוגים:J→=∑nk⋅qk⋅v→kכאשר qk יכול להיות גם שלילי וגם חיובי (מה שיוביל לצפיפות זרם הפוכה בכיוונה).

מודל Drude

במודל דרודה, מסתכלים על מטענים אשר חופשיים לנוע בתגובה להפעלת שדה חשמלי חיצוני E→. במצב זה, ניתן לכתוב את החוק השני בצורה הבאה:m⋅v→˙=qE→−νv→כאשר ν הינו מקדם החיכוך האפקטיבי.

כשהמערכת מתייצבת, v→˙=0 ואז ניתן לרשום:qE→=νv→⇒v→=qνE→=v→dכאשר v→d מוגדרת להיות המהירות בשיווי משקל (drift velocity).

מקובל לסמן μ=qν - מוביליות נושאי המטען.

אם נציב את הביטוי ל-v→d במשוואה המתארת את צפיפות הזרם, נקבל:J→=∑nk⋅qk⋅v→k=∑nk⋅qk⋅qkνkE→=∑nk⋅qk2νk⏟≡σE→=σE→כלומר, קיבלנו מתוך מודל דרודה את חוק אוהם, כאשר σ המוליכות הסגולית.

את משוואות השדה ותנאי השפה בחומר המקיים את חוק אוהב כבר ראינו בהרצאה הקודמת.

פולריזציה

לא תמיד יש אלקטרונים שחופשיים לנוע, לפעמים האלקטרונים "קשורים" אבל יכולה להיות סטייה במיקומם.

מיקום האלקטרון מתואר ע"י פונקציית גל קוונטית Ψ שמתארת לנו את ההסתברות למצוא את האלקטרון במיקום מסוים סביב העולם. כאשר מופעל שדה חיצוני, הוא "מעוות" את ענן האלקטרונים (פונקציית הגל). ולכן המיקום הממוצע של האלקטרונים הנתון על ידי הביטוי:∫r→ψ(r,t)⋅ψ*(r,t)drבהפעלת השדה, המיקום הממוצע של האלקטרונים כבר לא יהיה במרכז וייווצר דיפול שקול בחומר.

יש חומרים (כמו מים) שלמולקולות שמרכיבות אותם יש מומנט דיפול באופן טבעי, ואז הפעלה של שדה חשמלי חיצוני "מיישרת" את כל הדיפולים בכיוון השדה.

מודל מקרוסקופי

המודל המיקרוסקופי אותו תארנו אינו קשור באופן ישיר למשוואות מקסוול. המטרה שלנו, כעת, היא למצוא פרמטרים מיקרוסקופיים ממוצעים, שאותם נוכל להציב במשוואות מקסוול ולפתור את השדות בנוכחות חומרים.

מבחינתנו, התגובה של חומר (או כל מערכת אחרת) להפעלה של שדה חשמלי עליה יכולה להיות מתוארת על ידי הווצרות של פילוג מטען בתגובה להפעלת השדה החיצוני.

מהרגע שהבנו מהו פילוג המטען ש"הושרה" בחומר בתגובה להפעלת השדה החיצוני, אפשר לחשב את השדה המלא כשדה שנוצר ע"י המקורות החיצוניים.

נניח שמומנט הדיפול של כל אטום או מולקולה הוא P→atom ולכן סה"כ הדיפול של כל התיבה: P→=N⋅P→atom. נוכל להגדיר את צפיפות הדיפולים הנפחית בתור היחס בין מומנט הדיפול לנפח:

P→=p→δv=p→δA→⋅δl→

בהינתן P→, אפשר לרשום:

p→=P→⋅δv=(P→⋅δA→)δl→=δQ⋅δl→את הפולריזציה ניתן לייצג כאילו על פאה יש מטען ∂Q=p→⋅∂A→ והם מופרדים זה מזה במרחק של ∂l→.

עבור איזושהי חתיכה של חומר:

Qp,surface=∮P→⋅da→מאחר וסך הכל מטען הפולריזציה צריך להיות אפס:Qp,volume=−∮P→⋅da→נביט בקשר הזה, עבור נפח קטן Δv:ρp=Qp,volumeΔv=−1Δv∮P→⋅da→=Δv→0−∇⋅P→⇒ρp=−∇⋅P→נשים לב לכך שאם P→ אחיד, אז ρp=0.

צפיפות משטחית של מטעני הפולריזציה

נוכל למצוא ביטוי לצפיפות המשטחית מחוק גאוס:

Qin=∮ϵ0E→⋅da→⇒η=n^(ϵ0E→2−ϵ0E→1)ומסך המטען:

Qp=−∮P→⋅da→⇒ηp=−n^(P→2−P→1)זרמי פולריזציה

נסתכל על השינוי בזמן באלמנט מטען קטן δQ=P→⋅δA→:I=d(δQ)dt=ddt(P→⋅δA→)=dP→dt⏟≡J→p⋅δA→=J→p⋅δA→כאשר השינוי בזמן של P→ מוגדר על ידי זרם אפקטיבי שחולף בתיבה - זרם פולריזציה J→p.

ביחד עם הקשר ρp=−∇⋅P→ נקבל את חוק שימור מטען הפולריזציה:∇⋅J→p=−dρpdtנקבל: ηp=−n^(P→2−P→1) אם נגזור בזמן את הביטוי שקיבלנו עבור צפיפות המטען המשטחית, נקבל:dηpdt==−n^(∂P→2∂t−∂P→1∂t)−n^(J→2,p−J→1,p)כלומר, אין זרמי פולריזציה משטחיים! (אלא אם יש תנועה מכנית)

משוואות מקסוול בחומר

{∇×E→=−∂(μ0H)∂t∇⋅(ϵ0E→)=ρf+(−∇⋅P)∇×H=∂(ϵ0E)∂t+Jf+∂P∂t∇⋅(μ0H)=0המקורות לשדה החשמלי הם כלל המטענים בבעיה - מטענים חופשיים ומטעני פולריזציה.

תנאי השפה המגיעים ממשוואות מקסוול בתנאים אלו:{n^×(E2−E1)=0n^⋅(ϵ0E2−ϵ0E1)=ηf+(−n^⋅[P2−P1])n^×(H2−H1)=Kfn^⋅(μ0H2−μ0H1)=0נשים לב, כי ניסוח משוואות מקסוול אותן יש לפתור בסופו של דבר הצריך 3 צעדים עיקריים:

  1. מידול התגובה המקרוסקופית של החומר (ענן אלקטרונים שמוסט כתוצאה מהפעלת שדה חשמלי חיצוני), וחישוב פילוג המקורות שנוצר בעקבותיה.
  2. הגדרת וקטור פולריזציה רציף בעזרת המודל המיקרוסקופי. אנחנו למעשה הגדרנו איזשהו תא יחידה, והנחנו שמיצוע פשוט של הדיפולים בתא היחידה הזה יתן את וקטור הפולריזציה. צעד זה נסמך למעשה על תאוריית הלאוזייס - מזוטי, על אף שהיא נפוצה, היא לא מדויקת ובמקרים רבים לא ניתן להשתמש בה כדי להסביר תופעות ניסיוניות.
  3. מתוך וקטור הפולריזציה חישוב התפלגות מטען הפולריזציה המקרוסקופיץ צעד זה אינו בעייתי ותמיד נכון, כל עוד אנחנו עובדים בתחום שבו ניתן להגדיר וקטור פולריזציה מקרוסקופי.

דוגמה

נתון לוח של חומר פעיל בו שוררת הפולריזציה הנתונה. חשבו את השדה החשמלי בכל המרחב.ρp=−∇⋅P→=−∂∂zPz=−P0dעל השפות:ηp,z=0=−z^⋅(Pz=0−0)=0ηp,z=d=−z^⋅(0−Pz=d)=−z^⋅(0−P0z^)=P0Qp=ρp⋅A⋅d+ηp,z=d⋅A=−P0d⋅A⋅d+P0⋅A=0הבעיה השקולה: מטעני פולריזציה בואקום!

מאחר וסך מטעני הפולריזציה ליחידת שטח הוא אפס ויש סימטריה של לוח אינסופי, נקבל E→=0 מחוץ ללוח, כלומר ב-z<0,z>d. משיקולי סימטריה: E→=E(z)z^.

נשתמש בחוק גאוס האינטגרלי. נגדיר מעטפת (הפאה העליונה נמצאת בקואורדינטה z)∮ϵ0E→⋅da→=Qin⇒ϵ0E(z)⋅A=−P0d⋅A⋅z⇒E(z)=−P0dϵ0⋅z

משוואות מקסוול בחומר - וקטור ההעתקה

נוכל לרשום את משוואות מקסוול בנוכחות פולריזציה בעזרת וקטור ההעתקה D→=ϵ0E→+P→, צפיפות שטף חשמלי:{∇⋅(ϵ0E→)=ρf+(−∇⋅P)⇒∇⋅(ϵ0E→+P→)⏟≡D→ - displacement vector=ρf∇×H→=∂(ϵ0E→)∂t+J→f+∂P→∂t⇒∇×H→=∂∂t(ϵ0E→+P→)+J→fn^⋅(ϵ0E2−ϵ0E1)=ηf+(−n^⋅[P2−P1])⇒n^⋅((ϵ0E→2+P→2)−(ϵ0E→1+P→1))=ηfנוכל לרשום:{∇×E→=−∂(μ0H)∂t∇⋅(ϵ0D→)=ρf∇×H=∂D∂t+Jf∇⋅(μ0H)=0ותנאי השפה:{n^×(E2−E1)=0n^⋅(D2−D1)=ηfn^×(H2−H1)=Kfn^⋅(μ0H2−μ0H1)=0המקורות לשדה ההעתקה D→ הם המטענים החופשיים בבעיה.

מנגנונים ליצירת פולריזציה:

  • Pyroelectric materials (נוצרת פולריזציה בתגובה לשינוי בטמפרטורה)
  • Piezoelectric materials (נוצרת פולריזציה בתגובה להפעלת מאמץ חיצוני)
  • Ferroelectric materials (קיים תהליך טבעי שיוצר פולריזציה בלי הפעלת השפעה חיצונית)
  • Bi-anisotropic materials

הקשר בין E ל-P,D

סוספטביליות ומקדם דיאלקטרי

אנחנו נתעניין בחומרים לינאריים בהם מתקיים:P→=ϵ0χeE→כאשר מגדירים את הסוספטביליות χe, המתארת בעיקר את התגובה של החומר כאשר השדות חלשים. נוכל כעת לכתוב את וקטור שדה ההעתקה D→:D→=ϵ0E→+P→=ϵ0E→+ϵ0χeE→=ϵ0(1+χe)E→כאשר 1+χe הוא המקדם הדיאלקטרי היחסי המסומן ב-ϵr, ו-ϵ0(1+χe) הוא המקדם הדיאלקטרי המסומן ב-ϵ.

תכונות של חומרים לינאריים

  • איזוטרופיות - החומר מגיב באופן זהה לכל הכיוונים של השדה שמופעלים עליו (או בתוכו). כלומר, ϵ ו-χe הם סקלרים. אם זה לא כך, ϵ ו-χe הן מטריצות. במצב זה נוכל לכתוב את שדה ההעתקה באופן הבא:D→=ϵ0E→+P→=ϵ0(𝕀+χe)E→=ϵ0ϵrE→לדוגמה, אם χe תהיה מטריצה 3×3, גם ϵ תהיה מטריצה מסדר זה.
  • הומוגניות - כאשר תכונות החומר, ϵ, לא תלויות במיקום. כאשר התווך אינו הומוגני מתקיים ϵ=ϵ(r→)

ברגע שיודעים מהו ϵ, אז אפשר להכניס אותו לתוך המשוואה ולפתור:∇⋅D→=ρf⇒∇⋅(ϵE→)=ρf∇×H→=∂D→∂t+J→f⇒∇×H→=∂(ϵE→)∂t+Jfעם תנאי השפה:n^⋅(D→2−D→1)=ηf⇒n^⋅(ϵ2E→2−ϵ1E→1)=ηf

מטען נקודתי בתוך חומר דיאלקטרי

כאשר עסקנו במטען נקודתי בואקום, השדה אותו יוצר המטען למעשה מקיים:

∇⋅E→=ρϵ0=δ(r−r0)ϵ0⇒∇2ϕ=−δ(r−r0)ϵ0התוצאה היא כמובן הפוטנציאל:

ϕ=q4πϵ0|r−r′|

תווך אינסופי

D→=q4πr2⋅r^D→=ϵE→⇒E→=D→ϵ⇒E→=q4πϵr2⋅r^

כדור סופי

מטעמי סימטריה מתקיים E→=E(r)⋅r^,D→=D(r)⋅r^. נקבל את תנאי השפה:n^⋅(Dout−Din)=ηf=0מכאן נובע:∇⋅D→=ρf⇔∫D→⋅n^ds=Qf,inשדה ההעתקה:D→=q4πr2⋅r^והשדה החשמלי:{E→=q4πϵr2⋅r^r<aE→=q4πϵ0r2⋅r^r>aתנאי שפה עבור E→ בוואקום:n^⋅(ϵ0E→2−ϵ0E→1)=ηtot=ηf+ηpolנמצא את הפולריזציה:D→=ϵE→=ϵ0E→+P→⇒P→=(ϵ−ϵ0)E→P→={q4πϵr2→⋅r^(ϵ−ϵ0)r<a0  r>aכעת נוכל למצוא את צפיפות המטען המשטחית (על שפת הכדור) הנובעת ממטעני הפולריזציה:ηp=−r^⋅(P→out−P→in)=q4πϵa2⋅(ϵ−ϵ0)Qp=qϵ−ϵ0ϵסך מטעני הפולריזציה חייב להיות אפס. את המטען עצמו נוכל לקבל מחוק גאוס:∫ϵ0E→⋅n^ds=Qf+Qpolϵ0q4πϵr24πr2=q+Qpolϵ0ϵq=q+Qpol⇒Qpol=−ϵ+ϵ0ϵqוזהו בדיוק −Qp,surface כך שסך מטען הפולריזציה הוא אכן אפס.

דוגמה

נתון כדור בעל מקדם דיאלקטרי ϵ, מוקף בריק. הכדור מוכנס לשדה אחיד. מצאו את השדות בכל המרחב.

הבעיה סטטית ולכן ניתן לרשום את השדה החשמלי בתור גרדיאנט של פונקציה סקלרית:∇×E→=0⇒E→=−∇ϕבהצבה במשוואות מקסוול נקבל:∇⋅(ϵE)=0⇒∇⋅(ϵ⋅(−∇ϕ))=0מאחר ו-ϵ הומוגני נקבל:ϵ∇2ϕ=0וזוהי משוואת לפלס.

תנאי השפה בבעיה:{ϕout(r>>a)=−E0z=−E0rcos⁡θr^⋅(ϵ0E→out−ϵE→in)|r=a=0⇒r^⋅[−ϵ0∂ϕout∂r−(−ϵ∂ϕin∂r)]r=a=0ϕout(r=a)=ϕin(r=a)ϕin(r→0)< ″∞″נבחר פוטנציאל:{ϕout=(Ar+Br2)cos⁡θϕin=Crcos⁡θכאשר זרקנו את התלות ב-1r2 בפוטנציאל הפנימי כדי לקיים את תנאי השפה הרביעי.

מתנאי השפה השלישי והראשון בהתאמה נקבל:{Aa+Ba2=Caϕout(r>>a)=Arcos⁡θ=−E0rcos⁡θ⇒A=−E0נציב בתנאי השפה השני את הנגזרות של הפוטנציאל:∂ϕout∂r=(A−2Br3)cos⁡θ,∂ϕin∂r=Ccos⁡θונקבל:ϵ0(A−2Ba3)=ϵCבסך הכל, המקדמים אשר נקבל עבור הפוטנציאל הם:{A=−E0B=−a3⋅ϵr−1ϵr+2E0C=a3⋅3ϵr+2E0כאשר ϵr=ϵϵ0. לכן, הפוטנציאל והשדה החשמלי מחוץ לכדור:{ϕout=(−E0r+E0a3⋅ϵr−1ϵr+21r2)cos⁡θE→out=E0z^+ϵr−1ϵr+2⋅E0⋅a3r3⋅(2cos⁡θr^+sin⁡θθ^)כעת נוכל לחשב את הקיטוביות:ϕdipole=p4πϵ01r2cos⁡θבבעיה שלנו, נמצא את הקיטוביות בעזרת השוואת מקדמים:p4πϵ0=E0⋅a3⋅ϵr−1ϵr+2⇒p=4πϵ0a3⋅ϵr−1ϵr+2E0הקיטוביות מוגדרת על ידי p→=ϵ0αE→, לכן נוכל לרשום:α=4πa3⋅ϵr−1ϵr+2=3V⋅ϵr−1ϵr+2כעת נסתכל על השדה והפוטנציאל בתוך הכדור:{ϕin=−3E02+ϵr⋅rcos⁡θE→in=32+ϵrz^מתקיים E→in=E→out+E→respond ולכן שדה התגובה:E→respond=−ϵr−1ϵr+2E0z^

דוגמה 2

חשבו את הקיבול של קבל שכבות.

מטעמי סימטריה מתקיים E→=E(z)⋅z^,D→=D(z)⋅z^

בתוך הקבל D→ אחיד: D→=D0z^. נסתכל על צפיפות המטען המשטחית על הלוח העליון:ηf=z^⋅(D→out−D→in)=−D0ולכן המטען ובהתאם הקיבול:Q=|D0|⋅A⇒C=QV=|D0|⋅AVבשכבה ה-i מתקיים:D→=ϵE→⇒D0z^=ϵiE→i⇒E→i=D0ϵiz^המתח הכולל יתקבל על ידי סכימה על הפוטנציאלים שנצברים בכל שכבה:V=∑D0ϵi⋅di⇒C=D0⋅A∑D0ϵi⋅di=A∑diϵi=1∑diϵiAנשים לב לכך שהתוצאה שקיבלנו שקולה לחיבור קבלים בטור.

אם השתנות ϵ רציפה ϵ=ϵ(z) נוכל לחלק לשכבות בעובי dz ונקבל:1Ceq=1A∫dzϵ(z)במקור הגדרנו: p→=αE→נגדיר מחדש: p→=ϵ0αE→כאשר: [α]=m3