פרק 10 - שדות חשמליים בחומר

From EM Fields - TAU
Revision as of 19:50, 18 April 2022 by 5.29.16.191 (talk) (Created page with "== שדות חשמליים בחומר == === חומרים מוליכים === 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> מ...")
(diff) ← Older revision | Latest revision (diff) | Newer revision → (diff)
Jump to navigation Jump to search

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)=nqv(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)=n1q1v1+n2q2v2אם יש יותר מ-2 סוגים:J=nkqkvk

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:mv˙=qEνvכאשר ν הינו מקדם החיכוך האפקטיבי.

כשהמערכת מתייצבת, v˙=0 ואז ניתן לרשום:qE=νvv=qνE=vdכאשר vd מוגדרת להיות המהירות בשיווי משקל (drift velocity).

מקובל לסמן μ=qν - מוביליות נושאי המטען.

אם נציב את הביטוי ל-vd במשוואה המתארת את צפיפות הזרם, נקבל:J=nkqkvk=nkqkqkνkE=[nkqk2νk]E=σEכלומר, קיבלנו מתוך מודל דרודה את חוק אוהם, כאשר σ המוליכות הסגולית.

פולריזציה

כאשר מופעל שדה חיצוני, הוא "מעוות" את ענן האלקטרונים (פונקציית הגל). המיקום הממוצע של האלקטרונים הנתון על ידי הביטוי:rψ(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

נניח שמומנט הדיפול של כל אטום או מולקולה הוא Patom ולכן סה"כ הדיפול של כל התיבה: P=NPatom. נוכל להגדיר את צפיפות הדיפולים הנפחית בתור היחס בין מומנט הדיפול לנפח. בהינתן P, אפשר לרשום

מאחר וסך הכל מטען הפולריזציה צריך להיות אפס:Qp,surface=PdaQp,volume=Pdaנביט בקשר הזה, עבור נפח קטן Δv:ρp=Qp,volumeΔv=1ΔvPda=Δv0Pρp=Pנשים לב לכך שאם P אחיד, אז ρp=0.

צפיפות משטחית של מטעני הפולריזציה

נוכל למצוא ביטוי לצפיפות המשטחית מחוק גאוס:Qin=ϵ0Edaη=n^(ϵ0E2ϵ0E1)ומסך המטען:Qp=Pdaηp=n^(P2P1)זרמי פולריזציה

נסתכל על השינוי בזמן באלמנט מטען קטן δQ=PδA:I=d(δQ)dt=ddt(PδA)=dPdtδA=JpδAכאשר השינוי בזמן של P מוגדר על ידי זרם אפקטיבי שחולף בתיבה - זרם פולריזציה Jp.

ביחד עם הקשר ρp=P נקבל את חוק שימור מטען הפולריזציה:Jp=dρpdtאם נגזור בזמן את הביטוי שקיבלנו עבור צפיפות המטען המשטחית, נקבל:dηpdt=n^(J2,pJ1,p)כלומר, אין זרמי פולריזציה משטחיים! (אלא אם יש תנועה מכנית)

משוואות מקסוול בחומר

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

תנאי השפה המגיעים ממשוואות מקסוול בתנאים אלו:{n^×(E2E1)=0n^(ϵ0E2ϵ0E1)=ηf+(n^[P2P1])n^×(H2H1)=Kfn^(μ0H2μ0H1)=0

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=00)=0ηp,z=d=z^(0Pz=d)=z^(0P0z^)=P0Qp=ρpAd+ηp,z=dA=P0dAd+P0A=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)ϵ0Eda=Qinϵ0E(z)A=P0dAzE(z)=P0dϵ0z

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)=ρf×H=(ϵ0E)t+Jf+Pt×H=t(ϵ0E+P)+Jfn^(ϵ0E2ϵ0E1)=ηf+(n^[P2P1])n^((ϵ0E2+P2)(ϵ0E1+P1))=ηfנוכל לרשום:{×E=(μ0H)t(ϵ0D)=ρf×H=Dt+Jf(μ0H)=0ותנאי השפה:{n^×(E2E1)=0n^(D2D1)=ηfn^×(H2H1)=Kfn^(μ0H2μ0H1)=0המקורות לשדה ההעתקה D הם המטענים החופשיים בבעיה.

  • מנגנונים ליצירת פולריזציה
  • Pyroelectric materials
  • Piezoelectric materials
  • Ferroelectric materials
  • Bi-anisotropic materials

הקשר בין E ל-P,D

סוספטביליות ומקדם דיאלקטרי

אנחנו נתעניין בחומרים לינאריים בהם מתקיים:P=ϵ0χeEכאשר 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)Eכאשר 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=ϵ0ϵrEלדוגמה, 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=Dt+Jf×H=(ϵE)t+Jfעם תנאי השפה:n^(D2D1)=ηfn^(ϵ2E2ϵ1E1)=ηf

מטען נקודתי בתוך חומר דיאלקטרי

תווך אינסופי

D=q4πr2r^D=ϵEE=DϵE=q4πϵr2r^

כדור סופי

מטעמי סימטריה מתקיים E=E(r)r^,D=D(r)r^. נקבל את תנאי השפה:n^(DoutDin)=ηf=0מכאן נובע:D=ρfDn^ds=Qf,inשדה ההעתקה:D=q4πr2r^והשדה החשמלי:{E=q4πϵr2r^r<aE=q4πϵ0r2r^r>aתנאי שפה עבור E בוואקום:n^(ϵ0E2ϵ0E1)=ηtot=ηf+ηpolנמצא את הפולריזציה:D=ϵE=ϵ0E+PP=(ϵϵ0)E{P=q4πϵr2r^)(ϵϵ0)r<aP=0  r>aכעת נוכל למצוא את צפיפות המטען המשטחית (על שפת הכדור) הנובעת ממטעני הפולריזציה:ηp=r^(PoutPin)=q4πϵa2(ϵϵ0)Qp=qϵϵ0ϵסך מטעני הפולריזציה חייב להיות אפס. את המטען עצמו נוכל לקבל מחוק גאוס:ϵ0En^ds=Qf+Qpolϵ0q4πϵr24πr2=q+Qpolϵ0ϵq=q+QpolQpol=ϵ+ϵ0ϵqוזהו בדיוק Qp 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=0E=ϕבהצבה במשוואות מקסוול נקבל:(ϵE)=0(ϵ(ϕ))=0מאחר ו-ϵ הומוגני נקבל:ϵ2ϕ=0וזוהי משוואת לפלס.

תנאי השפה בבעיה:{ϕout(r>>a)=E0z=E0rcosθr^(ϵ0EoutϵEin)|r=a=0r^[ϵ0ϕoutr(ϵϕinr)]r=a=0ϕout(r=a)=ϕin(r=a)ϕin(r0)< נבחר פוטנציאל:{ϕout=(Ar+Br2)cosθϕin=Crcosθכאשר זרקנו את התלות ב-1r2 בפוטנציאל הפנימי כדי לקיים את תנאי השפה הרביעי.

מתנאי השפה השלישי והראשון בהתאמה נקבל:{Aa+Ba2=Caϕout(r>>a)=Arcosθ=E0rcosθA=E0נציב בתנאי השפה השני את הנגזרות של הפוטנציאל:ϕoutr=(A2Br3)cosθ,ϕinr=Ccosθונקבל:ϵ0(A2Ba3)=ϵCבסך הכל, המקדמים אשר נקבל עבור הפוטנציאל הם:{A=E0B=a3ϵr1ϵr+2E0C=a33ϵr+2E0כאשר ϵr=ϵϵ0. לכן, הפוטנציאל והשדה החשמלי מחוץ לכדור:{ϕout=(E0r+E0a3ϵr1ϵr+21r2)cosθEout=E0z^+ϵr1ϵr+2E0a3r3(2cosθr^+sinθθ^)כעת נוכל לחשב את הקיטוביות:ϕdipole=p4πϵ01r2cosθבבעיה שלנו, נמצא את הקיטוביות בעזרת השוואת מקדמים:p4πϵ0=E0a3ϵr1ϵr+2p=4πϵ0a3ϵr1ϵr+2E0הקיטוביות מוגדרת על ידי p=ϵ0αE, לכן נוכל לרשום:α=4πa3ϵr1ϵr+2=3Vϵr1ϵr+2כעת נסתכל על השדה והפוטנציאל בתוך הכדור:{ϕin=3E02+ϵrrcosθEin=32+ϵrz^מתקיים Ein=Eout+Erespond ולכן שדה התגובה:Erespond=ϵr1ϵr+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^(DoutDin)=D0ולכן המטען ובהתאם הקיבול:Q=|D0|AC=QV=|D0|AVבשכבה ה-i מתקיים:D=ϵED0z^=ϵiEiEi=D0ϵiz^המתח הכולל יתקבל על ידי סכימה על הפוטנציאלים שנצברים בכל שכבה:V=D0ϵidiC=D0AD0ϵidi=Adiϵi=1diϵiAנשים לב לכך שהתוצאה שקיבלנו שקולה לחיבור קבלים בטור.

אם השתנות ϵ רציפה ϵ=ϵ(z) נוכל לחלק לשכבות בעובי dz ונקבל:1Ceq=1Adzϵ(z)