Fiziğin Muhteşem DünyasıEtkileşimli fizik simülasyonları
Ana sayfa › Elektromanyetik Teori I › Madde İçinde Elektrik Alan · Polarizasyon · Lineer Dielektrikler

Dielektrikler: Polarizasyon ve Sınır Koşulları

Lineer, izotrop bir dielektrikte polarizasyon alanla orantılıdır: $\vec P = \varepsilon_0\chi_e\vec E$, $\vec D = \varepsilon_0\vec E + \vec P = \varepsilon\vec E$, $\varepsilon = \kappa\varepsilon_0$, $\kappa = 1 + \chi_e$. Polarizasyon bağlı yükler oluşturur:

$$\sigma_b = \vec P\cdot\hat n, \qquad \rho_b = -\nabla\cdot\vec P, \qquad \nabla\cdot\vec D = \rho_f$$

Serbest yük olmayan bir sınırda $D_\perp$ ve $E_\parallel$ süreklidir; bu yüzden $E_\perp$ sıçrar ve alan çizgileri kırılır: $\tan\theta_1/\tan\theta_2 = \varepsilon_1/\varepsilon_2$ ($\theta$ normalden ölçülür).

Düzgün alanda dielektrik küre

Laplace denkleminin küresel çözümünden içeride alan düzgündür ve dış alandan küçüktür: $E_{\text{iç}} = \dfrac{3}{\kappa+2}E_0$. Dışarıdaki alan, $E_0$'a merkezdeki bir dipolün ($p = 4\pi\varepsilon_0\frac{\kappa-1}{\kappa+2}R^3E_0$) alanı eklenerek bulunur. $\kappa\to\infty$ limitinde iletken küre sonucu ($E_{\text{iç}} = 0$) elde edilir.

Parametreler

Şekle tıklayınca o noktadaki $\vec E$, $\vec D$ ve $\vec P$ hesaplanır. Yarı-uzay düzeneğinde yükü sürükleyebilir, sınıra yakın bir noktaya tıklayarak kırılma yasasını sınayabilirsiniz.

alan çizgileri+ yük− yükdielektrik

Hesaplama

Bunu dene

1. Kürede $\kappa = 4$, $E_0 = 1000$ V/m seçin. İçerideki $E$, $D$, $P$ değerlerini ve en büyük bağlı yüzey yükünü bulun. "D çizgileri" ile "E çizgileri" görünümlerini karşılaştırın: hangisi sınırda kopuyor?

Açıklama
$E_{\text{iç}} = 3E_0/(\kappa+2) = 500$ V/m, $D_{\text{iç}} = \kappa\varepsilon_0E_{\text{iç}} = 1.77\times10^{-8}$ C/m² $= 2\,\varepsilon_0E_0$, $P = \varepsilon_0(\kappa-1)E_{\text{iç}} = 1.33\times10^{-8}$ C/m²; $\sigma_b(\theta=0) = P = 13.3$ nC/m². $D$ çizgileri sürekli ve kürenin içine toplanır; $E$ çizgilerinin bir kısmı sol yüzeydeki $-\sigma_b$ üzerinde biter, sağ yüzeydeki $+\sigma_b$'den yeniden başlar.

2. Levha düzeneğinde $\sigma_f = 1\ \mu$C/m², $d = 10$ mm, levha kalınlığı $t = 5$ mm, $\kappa = 5$ seçin. Boşluktaki ve dielektrikteki alanı, plakalar arası gerilimi ve birim alan başına sığayı bulun.

Açıklama
$D = \sigma_f$ her yerde aynı. $E_0 = \sigma_f/\varepsilon_0 = 1.13\times10^5$ V/m, $E_d = E_0/\kappa = 2.26\times10^4$ V/m, $P = \sigma_f(1 - 1/\kappa) = 0.80\ \mu$C/m². $V = E_0(d-t) + E_d t = 678$ V, $C/A = \sigma_f/V = 1.48\times10^{-9}$ F/m²; boş kondansatöre göre $1.67$ kat.

3. Yarı-uzay düzeneğinde $\kappa = 3$, $q = 5$ nC, $d = 0.20$ m seçin. Görüntü yükü ve toplam bağlı yük nedir? Sınıra yakın bir noktada $\tan\theta_1/\tan\theta_2$ oranını okuyun.

Açıklama
$q' = -\dfrac{\kappa-1}{\kappa+1}q = -2.50$ nC; toplam bağlı yüzey yükü de $-2.50$ nC çıkar. Alt bölgedeki alan, $q$'nun yerindeki $q'' = \dfrac{2\kappa}{\kappa+1}q = 7.50$ nC'luk yükün $\varepsilon = 3\varepsilon_0$ ortamındaki alanıdır. Her noktada $\tan\theta_1/\tan\theta_2 = 1/\kappa = 0.333$.

Elektromanyetik Teori I dersindeki diğer simülasyonlar