Wat is elektrische polarisatie?

Elektrische polarisatie is het verschijnsel waarbij een elektrisch veld in een materiaal dipolen creëert of oriënteert, waardoor intern een ladingsverdeling ontstaat.

Wat is elektrische polarisatie?

Elektrische polarisatie is een belangrijk concept in de fysica, met name in de tak van de elektrodynamica. Het verwijst naar de verdeling van elektrische ladingen binnenin een materiaal, vooral in isolatoren of dielektrica, wanneer deze worden blootgesteld aan een extern elektrisch veld.

Het begrip elektrische polarisatie

In basisbegrippen kan elektrische polarisatie worden beschreven als het verschijnsel waarbij positieve en negatieve ladingen in een materiaal uit elkaar worden getrokken door een extern elektrisch veld, zonder dat de ladingen het materiaal verlaten.

Ladingscheiding: Binnenin een geïsoleerde stof reageren de elektronen en kernen van de atomen of moleculen op een extern elektrisch veld.

Oorsprong: Deze reactie kan plaatsvinden door verschuiving van de bindingsvalentie-elektronen of door oriëntatie van permanente dipolen, zoals in watermoleculen.

Gevolg: Het resultaat is dat het materiaal zich gedraagt alsof er op microscopisch niveau positieve en negatieve ladingen zijn verplaatst in tegenovergestelde richtingen.

Polarizatievector

De mate van polarisatie kan worden gekwantificeerd met behulp van de polarizatievector. Deze vector wordt aangeduid met P en wordt gedefinieerd als het netto dipoolmoment per volume-eenheid:

\[ \mathbf{P} = \frac{1}{V} \sum_{i} \mathbf{p}_i \]

waarbij:

P = polarizatievector

V = volume van het materiaal

p_i = dipoolmoment van de i-de molecuul

Deze vector richt zich in de richting van de netto dipoolmomenten binnen het materiaal.

Lineaire en niet-lineaire polarisatie

Er zijn twee hoofdtypen polarisatie: lineaire en niet-lineaire polarisatie.

Lineaire polarisatie

Bij lineaire polarisatie is de polarizatievector direct evenredig met het aangelegde elektrische veld E:

\[ \mathbf{P} = \epsilon_0 \chi_e \mathbf{E} \]

waarbij:

ε₀ = de elektrische constanten of de permittiviteit van het vrije ruimte

χ_e = de elektrische susceptibiliteit van het materiaal

E = het aangelegde elektrische veld

Niet-lineaire polarisatie

Bij niet-lineaire polarisatie is de relatie tussen de polarizatievector en het elektrisch veld niet eenvoudig en kan de polarisatie afhangen van hogere machten van het elektrisch veld:

\[ \mathbf{P} = \epsilon_0 \left( \chi^{(1)} \mathbf{E} + \chi^{(2)} \mathbf{E}^2 + \chi^{(3)} \mathbf{E}^3 + \ldots \right) \]

waarbij χ⁽²⁾, χ⁽³⁾, enz. de hogere orde susceptibiliteiten van het materiaal zijn.

Toepassingen van elektrische polarisatie

Elektrische polarisatie speelt een cruciale rol in verschillende technologieën en toepassingen:

Condensatoren: In condensatoren verhogen dielektrica met hoge polarisatie de opslagcapaciteit van elektrische energie.

Ferro-elektrische materialen: Deze materialen bezitten een spontane polarisatie die kan worden omgeschakeld met een extern veld, wat nuttig is voor niet-vluchtig geheugen zoals RAM-typen.

Optische toepassingen: Polarisatie-eigenschappen van materialen worden gebruikt in optische switches en modulators.

Met dit basale begrip van elektrische polarisatie worden de fundamenten gelegd om de verdere complexiteiten van elektromagnetisme te verkennen.

Summary