نویسنده: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
مواد دی‌الکتریک به موادی گفته می‌شود که در یک مدار الکتریکی در برابر عبور جریان الکتریکی مقاومت می‌کنند و توانایی ذخیره‌سازی بارالکتریکی را دارند. هنگامی که یک ماده دی‌الکتریک در معرض یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، ماده با تغییر چگالی بار داخلی از خود واکنش نشان می‌دهد. بارهای مثبت و منفی از همدیگر جدا می‌شوند و دو قطبی‌های داخلی ایجاد میگردد.
یک دو قطبی الکتریکی را به صورت زیر نشان می‌دهند.
که بردار دو قطبی الکتریکی و d فاصله بین بارهای q+ و q- است. این رابطه را برای تعداد بسیار زیادی از دوقطبی‌ها می‌توان بسط داد. برای یک محیط دی‌الکتریک بردار قطبش کل در واحد حجم به صورت حاصلضرب چگالی دو قطبی های الکتریکی در واحد حجم (N) در تعریف می‌شود.
بردار قطبش را با کمیت دیگری به نام قطبش پذیری (&) نیز می‌توان تعریف کرد. که قطبش محیط به صورت زیر با یک میدان الکتریکی متناسب است (شکل 1).
توانایی ذخیره بار معمولاً با قطبش پذیری بیان نمی گردد بلکه با پذیرفتاری الکتریکی χ یا گذر دهی ε بیان می شود. این کمیت ها توسط رابطه زیر به همدیگر مرتبط هستند.
کمیت جابجایی الکتریکی برداری است که میزان بار ذخیره شده درواحد سطح را تعیین می کند و با رابطه زیر مشخص می گردد.
بردار جابجایی الکتریکی در بیان ترمودینامیکی به صورت تغییر انرژی آزاد گیبس با تغییر در میدان الکتریکی در دما و تنش مکانیکی ثابت،تعریف می شود.
اکثر مواقع حاصلضرب میدان الکتریکی در گذردهی فضای آزد بسیار کوچکتر از قطبش است و می توان از تقریب خوب (D=P) استفاده کرد.
به کمک تعریف ترمودینامیکی بردار جابجایی گذردهی نسبی را به صورت زیر می توان بیان کرد.
در مجموع گذردهی چگونگی واکنش یک محیط به میدان اعمالی خارجی است.
در بیشتر موارد عملی سیگنالهای الکتریکی گذرا هستند و اثر فرکانس غیر صفر مهم می‌باشد. به این دلیل می توانیم از خاصیت اعدد مختلط استفاده کنیم. برای یک موج سینوسی داریم:
اگر این توصیف مختلط از یک موج سینوسی وارد معادلات قبلی گردد نفوذ پذیری را هم می توان به صورت یک عدد مختلط بیان کرد.
که ε^' وε^'' قسمت های حقیقی و موهومی گذردهی الکتریکی هستند که هر دو وابسته به فرکانس می باشند. قسمت حقیقی گذردهی همان کمیت ثابت دی‌الکتریک است که در یک مدار فیزیکی اندازه گیری می شود. قسمت موهومی میزان اتلاف انرژی را بیان می کند.
میزان اتلاف انرژی با تانژانت اتلاف بیان می گرد و به صورت زیر مشخص می گردد:
در مدارهای عملی گذردهی دومین پارامتر مهمی است که درطراحی در نظر گرفته می شود و معمولاً اتلاف دی الکتریک دارای اهمیت بیشتری در انتخاب مواد است.
وابستگی گذردهی و اتلاف دی‌الکتریک به فرکانس به دلیل فرایندهای مختلفی است که هنگام ایجاد دو قطبی ها و تشکیل قطبش کل روی می-دهد. اثر یک سازوکار معین بر روی گذردهی توسط میزان بار جابجا شده و فاصله بین بارها تعیین می گردد. درحالتی که چندین سازوکار بر روی ماده عمل می کنند، اثر هر کدام با یکدیگر جمع می شود.
در تمام این حالتها قطبش شامل جابجایی بار است با جرم معین که به یک مرکز بار مثبت مفید شده و یک نیروی باز گرداننده هماند یک نوسانگر هماهنگ عمل میکند. در این فرایند میدان خارجی عامل نیروی خارجی و نیروی پیوندی به یک بار مثبت همان نیروی بازگرداننده است.
هنگامی که فرکانس نیروی خارجی بزرگتر از فرکانس تشدید می گردد . قطبش کامل حاصل نمی گردد و بار فرصت کافی برای پاسخ دهی به میدان خارجی را ندارد. در این صورت واهلش روی می دهد. در تشدید بیشترین مقدار انرژی از میدان خارجی جذب می گردد و اتلاف دی‌الکتریک بیشترین مقدار خود را دارد. بررسی سازوکارهای مختلف در قطبش رفتار کیفی مواد را معین می کند.
در فرکانس های خیلی بالا درمحدوده های اپتیکی ابر بار الکتریکی منفی در اطراف اتمهای مختلف می تواند از محل بار مثبت هسته جدا شود و در ماده ایجاد قطبش کند. به دلیل جرم کم الکترونها، الکترونها می تواند در این فرکانسهای بالای اپتیکی به میدان خارجی پاسخ دهند و فرکانسی برابر فرکانس میدان خارجی داشته باشد. قطبش ایجاد شده در این روش بسیار کم است که به دو دلیل می باشد اول اینکه بار اطراف اتمهای مختلف ناچیز است و دوم اینکه به دلیل نیروی پیوندی قوی بین الکترون و هسته میزان جابجایی بار از هسته کم است. در پیوندهای یونی میدان اعمالی می تواند بارهای مثبت و منفی را خلاف جهت همدیگر جابجا کند و ایجاد قطبش کند. در این حالت یونهای سنگین تر از الکترونها هستند و نیروی بازگرداننده بستگی به قدرت پیوند یونی دارد. هر چقدر که یونها سنگین تر باشند حرکت‌پذیری آنها کندتر است و وآهلش در فرکانسهای پایین‌تری روی می دهد که معمولاً در فرکانسهای فروسرخ است. در این حالت ممان‌های دو قطبی بزرگتر‌ند و میزان سهم آنها در گذردهی بیشتر است. در موادی که ملکولهای مجزا دارای قطبش دائمی هستنند یا در بلورهای که ساختار آنها شامل آرائه‌ای از دوقطبیهای دائمی باشد ممان دو قطبی موثر کل ماده معمولاًً صفر است چون این دو قطبی‌های ذاتی دارای جهت گیرهای تصادفی در فضا هستند. در اثر اعمال میدان الکتریکی خارجی جهت‌گیری این دوقطبی‌ها یکنواخت شده و در جهت میدان الکتریکی قرار می گیرند در این صورت ماده قطبیده می شود. در این حالت دو قطبی ها تولید نشده اند بلکه جهت‌گیری آنها یکسان شده است. در این جهت گیری برای نواحی مختلف نیروی بازگرداننده معمولاً وجود ندارد ولی بعد از حذف میدان خارجی در بعضی حالت ها هنگامی که محیط به تعادل ترمودینامیکی می-رسد به دلیل ملاحظات آماری این قطبش هم از بین می‌رود.
دراین مواد معمولا واهلش در فرکانسهای بالای فرکانسهای رادیویی و گاهی فرکانسهای ماکروویو اتفاق می‌افتد. برای بارهای آزاد درون یک عایق باید واهلش در فرکانسهای بسیار بالا روی دهد ولی معمولاً در فرکانسهای پایین‌تر روی می‌دهد. این به دلیل حرکت پذیری کند این بارهای آزاد درون عایق است. بنابراین برای یک دی‌الکتریک سهم هر کدام از این سازوکارها وابسته به فرکانس میدان خارجی است. این سهم در شکل زیر نمایش داده شده است (شکل 2).
هنگامی که یک ماده دارای رانش محدودی است توانایی ذخیره بار به دلیل از دست دادن بار به خاطر رسانش کاهش می‌یابد. پهنای زیاد گاف مواد عایق، رسانش را کم میکند واین درصورتی است که کاستی‌ها در شبکه نباشد. وجود کاستی‌ها در شبکه باعث کاهش کمینه نوار رسانش یا افزایش بیشینه نوار والانس از مرتبه K_β T می‌شود و این امر باعث کاهش مقاومت میگردد. علاوه براین وجود مرزدانه‌ها، ناجابجای‌ها، فازهای ثانویه و کاستی‌های ماکروسکوپیک همانند ترک و تخلخل میتواند باعث افزایش رسانایی گردد.
مواد فروالکتریک/ پاراالکتریک
مواد دی‌الکتریک قطبی
تقارن بلواری هر ماده‌ای را می‌توان توسط یکی از 32 گروه نقطه‌ای تعیین کرده و در این میان تنها 10 گروه نقطه‌ای دارای سازگاری با ایجاد دو قطبی‌های خود به خود هستند. تمام مواد دی‌الکتریک در حضور میدان الکتریکی قطبیده می‌شوند. ولی تنها این 10 گروه نقطه‌ای می‌توانند بدون حضور میدان خارجی قطبیده گردند. این 10 گروه نقطه‌ای عبارتند از 1و 2و m و2 mm و 4 و 4mm و 3 و3m و 6و .6mm
در بلورهای قطبی برای هر یاخته واحد می‌توان ممان دو قطبی تعریف کرد. دراصل یک جدای بین توزیع بارهای مثبت و منفی درون هر یاخته واحد وجود دارد. و با تعریف دلخواه مبدا در هرنقطه‌ی می‌توان جدایی فضایی بین این توزیع بارهای مثبت و منفی را از انتگرال حجمی زیر به دست آورد.
وجود یک محور قطبش باعث ایجاد ناهمسانگردی در ماده میگردد. تقارن گروه نقطه‌ای به صورت کامل میتواند ناهمسانگردی را در یک تک کریستال تک حوزه بیان کند. از ده گروه نقطه ای به جز گروه نقطه‌ای 1 در همه گروههای دیگر امکان وجود چندین جهت قطبش وجود دارد. این خاصیت امکان ایجاد چند حوزه را درون یک تک کریستال کوچک فراهم میکند. حوزه‌ها ناحیه همسانگردی است در درون یک بلور که دارای محور قطبش متفاوتی از محور قطبش حوزه مجاور است. این حوزه‌ها همدوسی ساختار کریستالی را از بین نمی‌برند. در مواد بس بلور هر دانه میتواند شامل چندین حوزه باشد که به صورت تصادفی توزیع شده‌اند. خصوصیات بلوری ریزساختارها توسط گروههای کوری تعیین میگردد.
اصل نیومن پیش‌بینی میکند که خصوصیات تقارنی باید منعکس کننده تقارن یاخته واحد و تفارن ریز ساختارها و تقارن نیروهای خارجی باشد. بنابراین در قطبش الکتریکی در نظر گرفن جهت گیریهای بلوری و میدان مکانیکی و الکتریکی اعمالی و ساختار دانه‌ها و حوزه‌ها اهمیت دارد.
پیزو‌الکتریسیته
تعریف مواد دی‌الکتریک قطبی به‌صورت فیزیکی در قرن‌ها 17 و 18 گسترش پیدا کرد محققان مشاهده کردن که اثرات الکتریکی به تغییرات گرمایی وابسته است. این اثرات به نام پیروالکتریسیته شناخته می‌شود. پیروالکتریسته اثر تغییرات قطبش در اثر تغییرات مای را توصیف میکند.
در پاسخ به تغییر قطبش برای جبران بار انباشته شده جریان کوچکی در سطح جسم باید ایجاد شود.
مشاهده اثر پیروالکتریسته دلیل روشنی بر وجود قطبش خود به خود است هرچند این مشاهده را در موادی که حوزه‌های قطبش آنها دارای توزیع تصادفی در فضا هستند نمی‌توان مشاهده کرد.
تمام مواد قطبی پیروالکتریک هستند و تنها موادی که دارای تقارن مرکزی نیستند می‌توانند خاصیت پیروالکتریسته از خود نشان دهند.
پیزوالکتریسته
از 32 گروه کریستالوگرافی تعداد 21 گروه دارای تقارن مرکزی نیستند و تمام گروه ها بجز گروه تقارنی 432 اثر پیزوالکتریک از خود نشان می‌دهند. اثر پیزوالکتریک توانایی این مواد برای ایجاد قطبش است هنگامی که یک تنش خارجی بر این مواد اعمال میگردد.
این رابطه، یک رابطه ی تانسوری است که تنش اعمالی یک تانسور مرتبه 2 و قطبش یک کمیت برداری و یک تانسور مرتبه دو است. بنابراین تانسور پیزوالکتریک باید یک تانسور مرتبه 3 باشد.
تنش میتواند کششی (مثبت) یا فشاری (منفی) باشد و بردار قطبش هنگامی که تنش خارجی تغییر حالت می‌دهد تغییر میکند. عکس اثر پیزوالکتریک هنگامی روی می‌دهد که یک میدان خارجی باعث ایجاد قطبش در ماده می‌شود این امر باعث ایجاد تنش در ماده میگردد.
در هنگام سنتز یا آزمایش بسیاری از مواد به‌طور ناخواسته میتواند در آنها تنش پسماند بوجود آید این امر باعث ایجاد قطبش در مواد و اثر‌گذاری بر روی اندازهگیری گذردهی مواد شود.
فروالکتریک
تاریخچه مواد فروالکتریک
یک زیر مجموعه از مواد قطبی اولین بار در 1921 در تک کریستال‌های نمک راچل توسط valasek مشاهد شد. یک رفتار پسماند بین میدان الکتریکی اعمالی و قطبش مشاهده شد. این رفتار شبیه همان رفتاری بود که درمواد فرو مغناطیس بین میدان مغناطیسی خارجی و قطبش مغناطیسی مشاهده شده بود و این رفتار درک شده بود. به این دلیل این پدیده فروالکتریک نامیده شد. این اثر برای اولین بار در دو ماده‌ای مشاهده شد که در آب حل‌پذیر بودند و تنها در دماهای پایین اثر فروالکتریک قابل مشاهده بود بنابراین قابل کاربرد در تجهیزات الکتریکی نبود. برای اولین بار در سال 1945 در ساختارپروسکیت تینانات باریوم این اثر در دمای اتاق مشاهده شد. و گذردهی بالای آن در آزمایشگاه تحقیقاتی دانشگاه MIT اندازهگیری شد.
کشف فروالکتریک تیتانات باریوم باعث انجام تحقیقات وسیعی در این‌گونه مواد و کاربرد آن در قطعات الکترونیک شد. مبدل‌های پیزوالکتریک با کشف تیتانات زیرکونات سرب ساخته شد. تاکنون مواد فروالکتریک پایه پرووسکیت از جمله موادی هستند که گسترده‌ترین کاربرد را در خازن‌های ظرفیت بالا و مبدل‌های بسیار حساس دارند. جدا از مقالات بسیار زیادی که هر سال درمورد خواص این مواد به چاپ می‌رسد این مواد پتانسیل بسیار بالایی برای کاربردهای صنعتی دارند.
نظریه فروالکتریسته
دسته‌ای از مواد که به عنوان مواد فروالکتریک شناخته می‌شوند زیرمجموعه‌ای از مواد دی‌الکتریک قطبی هستند که دارای قطبش قابل کنترل در زیر دمای خاصی به نام دمای کوری می‌باشند.
دی‌الکتریک‌های قطبی و غیر فروالکتریک به‌صورت خود به خود قطبیده می‌شوند ولی به دلیل ملاحظات انرژی حالت های یکسانی را قبول نمی کنند.
درمواد فروالکتریک پاسخ دی‌الکتریکی در زیر دمای کوری به‌صورت پسماند است.
در این مواد هنگامی که میدان الکتریکی بزرگتر از میدان بازدارنده Ec اعمال شود قطبش دوباره جهت‌گیری منظمی پیدا میکند.
معمول‌ترین مواد فروالکتریک اکسیدهای پایه پروسکیت هستند (شکل 3).
این مواد شامل زیر شبکه تنگ پکیده مکعبی است که توسط اتمهای اکسیژن تشکیل می‌شد.
جایگاههای ایجاد شده توسط اکسی‍ژن‌ها با کاتیونهای دیگر اشغال میگردد.
با کمک یک هندسه ساده و شیمی کریستال‌ها گوداسمیت فاکتور تلرانس را به‌صورت زیر برای اکسیدها تعریف کرد:
این فاکتور که با اطلاعات مربوط به شعاع یونی مواد محاسبه می‌شود میتواند معیاری باشد برای پایداری ساختارهایی به شکل ABO_3که در فاز پروسکیت هستند. در جدول 1 این شعاع‌های یونی آورده شده است.
تیتانات استرانسیوم دارای فاکتور تلرانس 002/1 است این فاکتور برای تیتانات باریوم 062/1 است. رابطه گلداسمیت بیان میکند که اگر فاکتور تلرانس برابر یک باشد ساختار مکعبی و اگر بزرگتر از یک باشد این ساختار باید تتراگانال باشد که این پیش‌گویی در مورد هر دو ساختار بالا درست است. هرچند گلداسمیت توانست ساختار این مواد را پیش‌گویی کند ولی نتوانست علت ناپایداری که موجب ایجاد قطبش خود به خود در مواد می‌شود را بیان کند. مرتبه پیوند کووالانسی در ایجاد ساختار بلوری و ناهمسانگردی قطبشی اهمیت دارد. همانند مواد یونی که نیروهای دافعه کوتاه برد توسط نیروهای جاذبه بلند برد بالانس می‌شوند در مواد فروالکتریک هم نیروهای کوتاه برد تمایل به ایجاد ساختار مکعبی و بدون اثر فروالکتریک دارند. در حالیکه نیروهای بلند برد خواهان ساختاری هستند که باعث ایجاد خاصیت فروالکتریک شود.
به کمک نظریه DFT و محاسبات ابتدا به ساکن می‌توان نوع پیوندهایی که درون این ساختارها ایجاد می گردد را محاسبه کرد. کوهن به کمک این محاسبات فهمید که در تیتانات باریوم ناپایداری فروالکتریک از هیبریداسیون بین حالت‌های الکترونی O2p و Ti3d ایجاد میگردد. درحالی که پیوند Bi-O یک پیوند یونی بسیار قوی است.
بلعکس در پروسکیت‌های که جایگاههای A توسط یونهایی با پوسته P بسته اشغال می‌شود (pb,Bi,…) تک جفت الکترونها پیوندهای تشکیل می‌دهند که با حالت‌های الکترونی اتمهای اکسیژن مجاور هیبرید شده و باعث ایجاد قطبش خود به خود می‌گردند.
این محاسبات تنها در دمایT=0 صادق هستند چون از دینامیک ملکولی در این محاسبات خبری نیست ولی توسط رابی این محاسبات برای دمای T≠0 هم بسط داده شد.
تغییر‌پذیری قطبش را می‌توان توسط یک مدل دو بعدی ساده توضیح داد. در این مدل دو بعدی کاتیون های کوچک به سمت یک آنیون تغییر مکان پیدا می کنند. این امر را از دیدگاه انرژی می‌توان توسط یک دیواره پتانسیل دوگانه توضیح داد. هر اختلال کوچکی میتواند باعث شود که این کاتیون به یک سمت حرکت کند و انرژی را کمینه نماید و باعث ایجاد قطبش خودبه خود گردد. یک سد انرژی محدود این دو اندازه انرژی کمینه را از همدیگر جدا کرده است. در مواد فروالکتریک مقدار این انرژی از مرتبه eEc است که E_c میدان بازدارنده است و این میدانی است که لازم است تا جهت قطبش را تغییر دهد. این مفهوم را می‌توان به یک ساختار فروالکتریک سه بعدی تعمیم داد.
وجود یک قطبش تغییرپذیر دلیل اصلی ایجاد غیرخطیت و منحنی پسماند در مواد فروالکتریک است. در مواد فروالکتریک تک حوزه، پاسخ پسماند به‌صورت یک حلقه مربع شکل است (شکل 4).
در اثر اعمال یک میدان الکتریکی بسیار قوی تمام دو قطبی‌های الکتریکی هم جهت می‌شوند در این حالت ماده دارای بیشترین مقدار قطبش است و به حالت اشباع می‌رسد.
اگر میدان را حذف کنیم در این حالت هنوز مقداری قطبش الکتریکی در ماده باقی می‌ماند که به این، قطبش باقی مانده می‌گویند. حال اگر جهت میدان را عکس کنیم تا یک میدان خارجی خاص هنوز جهت قطبش عوض نمی‌شود ولی اندازه قطبش کاهش پیدا میکند. میدانی که در آن اندازه قطبش ماده صفر می‌شود میدان بازدارنده نام دارد. حال اگر میدان خارجی بزرگتر شود این میدان میتواند بر سد پتانسیل گفته شده در بالا غلبه کند و باعث تغییر جهت قطبش در ماده گردد.
منحنی پسماند در مواد چند حوزه‌ای دارای تغییرات ملایم‌تری می‌باشد. این امر به دلیل وجود حوزه‌های قطبش در این مواد است.
گذردهی را به کمک رابطه بین میدان و قطبش می‌توان محاسبه کرد. اگر فرض کنیم که تمام سهم‌های دیگر در جابجایی دی‌الکتریک ناچیز باشند (در مقایسه با دو قطبی‌ها) دراین صورت گذردهی را به سادگی می‌توان از رابطه زیر در یک منحنی پسماند محاسبه کرد.
اگر یک ماده فروالکتریک را در بین صفحات یک خازن قرار دهیم ظرفیت خازن متناسب با گذردهی است. در منحنی پسماند قطبش هنوز با گذردهی متناسب است پس می‌توان منحنی E- ε را به جای P-E درنظر گرفت و از آنجا به کمک یک خازن می‌توان منحنی تجربی C-V را رسم کرد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع:راسخون
مواد دی‌الکتریک به موادی گفته می‌شود که در یک مدار الکتریکی در برابر عبور جریان الکتریکی مقاومت می‌کنند و توانایی ذخیره‌سازی بارالکتریکی را دارند. هنگامی که یک ماده دی‌الکتریک در معرض یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، ماده با تغییر چگالی بار داخلی از خود واکنش نشان می‌دهد. بارهای مثبت و منفی از همدیگر جدا می‌شوند و دو قطبی‌های داخلی ایجاد میگردد.
یک دو قطبی الکتریکی را به صورت زیر نشان می‌دهند.
که بردار دو قطبی الکتریکی و d فاصله بین بارهای q+ و q- است. این رابطه را برای تعداد بسیار زیادی از دوقطبی‌ها می‌توان بسط داد. برای یک محیط دی‌الکتریک بردار قطبش کل در واحد حجم به صورت حاصلضرب چگالی دو قطبی های الکتریکی در واحد حجم (N) در تعریف می‌شود.
بردار قطبش را با کمیت دیگری به نام قطبش پذیری (&) نیز می‌توان تعریف کرد. که قطبش محیط به صورت زیر با یک میدان الکتریکی متناسب است (شکل 1).
توانایی ذخیره بار معمولاً با قطبش پذیری بیان نمی گردد بلکه با پذیرفتاری الکتریکی χ یا گذر دهی ε بیان می شود. این کمیت ها توسط رابطه زیر به همدیگر مرتبط هستند.
کمیت جابجایی الکتریکی برداری است که میزان بار ذخیره شده درواحد سطح را تعیین می کند و با رابطه زیر مشخص می گردد.
بردار جابجایی الکتریکی در بیان ترمودینامیکی به صورت تغییر انرژی آزاد گیبس با تغییر در میدان الکتریکی در دما و تنش مکانیکی ثابت،تعریف می شود.
اکثر مواقع حاصلضرب میدان الکتریکی در گذردهی فضای آزد بسیار کوچکتر از قطبش است و می توان از تقریب خوب (D=P) استفاده کرد.
به کمک تعریف ترمودینامیکی بردار جابجایی گذردهی نسبی را به صورت زیر می توان بیان کرد.
در مجموع گذردهی چگونگی واکنش یک محیط به میدان اعمالی خارجی است.
در بیشتر موارد عملی سیگنالهای الکتریکی گذرا هستند و اثر فرکانس غیر صفر مهم می‌باشد. به این دلیل می توانیم از خاصیت اعدد مختلط استفاده کنیم. برای یک موج سینوسی داریم:
اگر این توصیف مختلط از یک موج سینوسی وارد معادلات قبلی گردد نفوذ پذیری را هم می توان به صورت یک عدد مختلط بیان کرد.
که ε^' وε^'' قسمت های حقیقی و موهومی گذردهی الکتریکی هستند که هر دو وابسته به فرکانس می باشند. قسمت حقیقی گذردهی همان کمیت ثابت دی‌الکتریک است که در یک مدار فیزیکی اندازه گیری می شود. قسمت موهومی میزان اتلاف انرژی را بیان می کند.
میزان اتلاف انرژی با تانژانت اتلاف بیان می گرد و به صورت زیر مشخص می گردد:
در مدارهای عملی گذردهی دومین پارامتر مهمی است که درطراحی در نظر گرفته می شود و معمولاً اتلاف دی الکتریک دارای اهمیت بیشتری در انتخاب مواد است.
وابستگی گذردهی و اتلاف دی‌الکتریک به فرکانس به دلیل فرایندهای مختلفی است که هنگام ایجاد دو قطبی ها و تشکیل قطبش کل روی می-دهد. اثر یک سازوکار معین بر روی گذردهی توسط میزان بار جابجا شده و فاصله بین بارها تعیین می گردد. درحالتی که چندین سازوکار بر روی ماده عمل می کنند، اثر هر کدام با یکدیگر جمع می شود.
در تمام این حالتها قطبش شامل جابجایی بار است با جرم معین که به یک مرکز بار مثبت مفید شده و یک نیروی باز گرداننده هماند یک نوسانگر هماهنگ عمل میکند. در این فرایند میدان خارجی عامل نیروی خارجی و نیروی پیوندی به یک بار مثبت همان نیروی بازگرداننده است.
هنگامی که فرکانس نیروی خارجی بزرگتر از فرکانس تشدید می گردد . قطبش کامل حاصل نمی گردد و بار فرصت کافی برای پاسخ دهی به میدان خارجی را ندارد. در این صورت واهلش روی می دهد. در تشدید بیشترین مقدار انرژی از میدان خارجی جذب می گردد و اتلاف دی‌الکتریک بیشترین مقدار خود را دارد. بررسی سازوکارهای مختلف در قطبش رفتار کیفی مواد را معین می کند.
در فرکانس های خیلی بالا درمحدوده های اپتیکی ابر بار الکتریکی منفی در اطراف اتمهای مختلف می تواند از محل بار مثبت هسته جدا شود و در ماده ایجاد قطبش کند. به دلیل جرم کم الکترونها، الکترونها می تواند در این فرکانسهای بالای اپتیکی به میدان خارجی پاسخ دهند و فرکانسی برابر فرکانس میدان خارجی داشته باشد. قطبش ایجاد شده در این روش بسیار کم است که به دو دلیل می باشد اول اینکه بار اطراف اتمهای مختلف ناچیز است و دوم اینکه به دلیل نیروی پیوندی قوی بین الکترون و هسته میزان جابجایی بار از هسته کم است. در پیوندهای یونی میدان اعمالی می تواند بارهای مثبت و منفی را خلاف جهت همدیگر جابجا کند و ایجاد قطبش کند. در این حالت یونهای سنگین تر از الکترونها هستند و نیروی بازگرداننده بستگی به قدرت پیوند یونی دارد. هر چقدر که یونها سنگین تر باشند حرکت‌پذیری آنها کندتر است و وآهلش در فرکانسهای پایین‌تری روی می دهد که معمولاً در فرکانسهای فروسرخ است. در این حالت ممان‌های دو قطبی بزرگتر‌ند و میزان سهم آنها در گذردهی بیشتر است. در موادی که ملکولهای مجزا دارای قطبش دائمی هستنند یا در بلورهای که ساختار آنها شامل آرائه‌ای از دوقطبیهای دائمی باشد ممان دو قطبی موثر کل ماده معمولاًً صفر است چون این دو قطبی‌های ذاتی دارای جهت گیرهای تصادفی در فضا هستند. در اثر اعمال میدان الکتریکی خارجی جهت‌گیری این دوقطبی‌ها یکنواخت شده و در جهت میدان الکتریکی قرار می گیرند در این صورت ماده قطبیده می شود. در این حالت دو قطبی ها تولید نشده اند بلکه جهت‌گیری آنها یکسان شده است. در این جهت گیری برای نواحی مختلف نیروی بازگرداننده معمولاً وجود ندارد ولی بعد از حذف میدان خارجی در بعضی حالت ها هنگامی که محیط به تعادل ترمودینامیکی می-رسد به دلیل ملاحظات آماری این قطبش هم از بین می‌رود.
دراین مواد معمولا واهلش در فرکانسهای بالای فرکانسهای رادیویی و گاهی فرکانسهای ماکروویو اتفاق می‌افتد. برای بارهای آزاد درون یک عایق باید واهلش در فرکانسهای بسیار بالا روی دهد ولی معمولاً در فرکانسهای پایین‌تر روی می‌دهد. این به دلیل حرکت پذیری کند این بارهای آزاد درون عایق است. بنابراین برای یک دی‌الکتریک سهم هر کدام از این سازوکارها وابسته به فرکانس میدان خارجی است. این سهم در شکل زیر نمایش داده شده است (شکل 2).
مواد فروالکتریک/ پاراالکتریک
مواد دی‌الکتریک قطبی
تقارن بلواری هر ماده‌ای را می‌توان توسط یکی از 32 گروه نقطه‌ای تعیین کرده و در این میان تنها 10 گروه نقطه‌ای دارای سازگاری با ایجاد دو قطبی‌های خود به خود هستند. تمام مواد دی‌الکتریک در حضور میدان الکتریکی قطبیده می‌شوند. ولی تنها این 10 گروه نقطه‌ای می‌توانند بدون حضور میدان خارجی قطبیده گردند. این 10 گروه نقطه‌ای عبارتند از 1و 2و m و2 mm و 4 و 4mm و 3 و3m و 6و .6mm
در بلورهای قطبی برای هر یاخته واحد می‌توان ممان دو قطبی تعریف کرد. دراصل یک جدای بین توزیع بارهای مثبت و منفی درون هر یاخته واحد وجود دارد. و با تعریف دلخواه مبدا در هرنقطه‌ی می‌توان جدایی فضایی بین این توزیع بارهای مثبت و منفی را از انتگرال حجمی زیر به دست آورد.
وجود یک محور قطبش باعث ایجاد ناهمسانگردی در ماده میگردد. تقارن گروه نقطه‌ای به صورت کامل میتواند ناهمسانگردی را در یک تک کریستال تک حوزه بیان کند. از ده گروه نقطه ای به جز گروه نقطه‌ای 1 در همه گروههای دیگر امکان وجود چندین جهت قطبش وجود دارد. این خاصیت امکان ایجاد چند حوزه را درون یک تک کریستال کوچک فراهم میکند. حوزه‌ها ناحیه همسانگردی است در درون یک بلور که دارای محور قطبش متفاوتی از محور قطبش حوزه مجاور است. این حوزه‌ها همدوسی ساختار کریستالی را از بین نمی‌برند. در مواد بس بلور هر دانه میتواند شامل چندین حوزه باشد که به صورت تصادفی توزیع شده‌اند. خصوصیات بلوری ریزساختارها توسط گروههای کوری تعیین میگردد.
اصل نیومن پیش‌بینی میکند که خصوصیات تقارنی باید منعکس کننده تقارن یاخته واحد و تفارن ریز ساختارها و تقارن نیروهای خارجی باشد. بنابراین در قطبش الکتریکی در نظر گرفن جهت گیریهای بلوری و میدان مکانیکی و الکتریکی اعمالی و ساختار دانه‌ها و حوزه‌ها اهمیت دارد.
پیزو‌الکتریسیته
تعریف مواد دی‌الکتریک قطبی به‌صورت فیزیکی در قرن‌ها 17 و 18 گسترش پیدا کرد محققان مشاهده کردن که اثرات الکتریکی به تغییرات گرمایی وابسته است. این اثرات به نام پیروالکتریسیته شناخته می‌شود. پیروالکتریسته اثر تغییرات قطبش در اثر تغییرات مای را توصیف میکند.
در پاسخ به تغییر قطبش برای جبران بار انباشته شده جریان کوچکی در سطح جسم باید ایجاد شود.
مشاهده اثر پیروالکتریسته دلیل روشنی بر وجود قطبش خود به خود است هرچند این مشاهده را در موادی که حوزه‌های قطبش آنها دارای توزیع تصادفی در فضا هستند نمی‌توان مشاهده کرد.
تمام مواد قطبی پیروالکتریک هستند و تنها موادی که دارای تقارن مرکزی نیستند می‌توانند خاصیت پیروالکتریسته از خود نشان دهند.
پیزوالکتریسته
از 32 گروه کریستالوگرافی تعداد 21 گروه دارای تقارن مرکزی نیستند و تمام گروه ها بجز گروه تقارنی 432 اثر پیزوالکتریک از خود نشان می‌دهند. اثر پیزوالکتریک توانایی این مواد برای ایجاد قطبش است هنگامی که یک تنش خارجی بر این مواد اعمال میگردد.
این رابطه، یک رابطه ی تانسوری است که تنش اعمالی یک تانسور مرتبه 2 و قطبش یک کمیت برداری و یک تانسور مرتبه دو است. بنابراین تانسور پیزوالکتریک باید یک تانسور مرتبه 3 باشد.
تنش میتواند کششی (مثبت) یا فشاری (منفی) باشد و بردار قطبش هنگامی که تنش خارجی تغییر حالت می‌دهد تغییر میکند. عکس اثر پیزوالکتریک هنگامی روی می‌دهد که یک میدان خارجی باعث ایجاد قطبش در ماده می‌شود این امر باعث ایجاد تنش در ماده میگردد.
در هنگام سنتز یا آزمایش بسیاری از مواد به‌طور ناخواسته میتواند در آنها تنش پسماند بوجود آید این امر باعث ایجاد قطبش در مواد و اثر‌گذاری بر روی اندازهگیری گذردهی مواد شود.
فروالکتریک
تاریخچه مواد فروالکتریک
یک زیر مجموعه از مواد قطبی اولین بار در 1921 در تک کریستال‌های نمک راچل توسط valasek مشاهد شد. یک رفتار پسماند بین میدان الکتریکی اعمالی و قطبش مشاهده شد. این رفتار شبیه همان رفتاری بود که درمواد فرو مغناطیس بین میدان مغناطیسی خارجی و قطبش مغناطیسی مشاهده شده بود و این رفتار درک شده بود. به این دلیل این پدیده فروالکتریک نامیده شد. این اثر برای اولین بار در دو ماده‌ای مشاهده شد که در آب حل‌پذیر بودند و تنها در دماهای پایین اثر فروالکتریک قابل مشاهده بود بنابراین قابل کاربرد در تجهیزات الکتریکی نبود. برای اولین بار در سال 1945 در ساختارپروسکیت تینانات باریوم این اثر در دمای اتاق مشاهده شد. و گذردهی بالای آن در آزمایشگاه تحقیقاتی دانشگاه MIT اندازهگیری شد.
کشف فروالکتریک تیتانات باریوم باعث انجام تحقیقات وسیعی در این‌گونه مواد و کاربرد آن در قطعات الکترونیک شد. مبدل‌های پیزوالکتریک با کشف تیتانات زیرکونات سرب ساخته شد. تاکنون مواد فروالکتریک پایه پرووسکیت از جمله موادی هستند که گسترده‌ترین کاربرد را در خازن‌های ظرفیت بالا و مبدل‌های بسیار حساس دارند. جدا از مقالات بسیار زیادی که هر سال درمورد خواص این مواد به چاپ می‌رسد این مواد پتانسیل بسیار بالایی برای کاربردهای صنعتی دارند.
نظریه فروالکتریسته
دسته‌ای از مواد که به عنوان مواد فروالکتریک شناخته می‌شوند زیرمجموعه‌ای از مواد دی‌الکتریک قطبی هستند که دارای قطبش قابل کنترل در زیر دمای خاصی به نام دمای کوری می‌باشند.
دی‌الکتریک‌های قطبی و غیر فروالکتریک به‌صورت خود به خود قطبیده می‌شوند ولی به دلیل ملاحظات انرژی حالت های یکسانی را قبول نمی کنند.
درمواد فروالکتریک پاسخ دی‌الکتریکی در زیر دمای کوری به‌صورت پسماند است.
در این مواد هنگامی که میدان الکتریکی بزرگتر از میدان بازدارنده Ec اعمال شود قطبش دوباره جهت‌گیری منظمی پیدا میکند.
معمول‌ترین مواد فروالکتریک اکسیدهای پایه پروسکیت هستند (شکل 3).
جایگاههای ایجاد شده توسط اکسی‍ژن‌ها با کاتیونهای دیگر اشغال میگردد.
با کمک یک هندسه ساده و شیمی کریستال‌ها گوداسمیت فاکتور تلرانس را به‌صورت زیر برای اکسیدها تعریف کرد:
این فاکتور که با اطلاعات مربوط به شعاع یونی مواد محاسبه می‌شود میتواند معیاری باشد برای پایداری ساختارهایی به شکل ABO_3که در فاز پروسکیت هستند. در جدول 1 این شعاع‌های یونی آورده شده است.
به کمک نظریه DFT و محاسبات ابتدا به ساکن می‌توان نوع پیوندهایی که درون این ساختارها ایجاد می گردد را محاسبه کرد. کوهن به کمک این محاسبات فهمید که در تیتانات باریوم ناپایداری فروالکتریک از هیبریداسیون بین حالت‌های الکترونی O2p و Ti3d ایجاد میگردد. درحالی که پیوند Bi-O یک پیوند یونی بسیار قوی است.
بلعکس در پروسکیت‌های که جایگاههای A توسط یونهایی با پوسته P بسته اشغال می‌شود (pb,Bi,…) تک جفت الکترونها پیوندهای تشکیل می‌دهند که با حالت‌های الکترونی اتمهای اکسیژن مجاور هیبرید شده و باعث ایجاد قطبش خود به خود می‌گردند.
این محاسبات تنها در دمایT=0 صادق هستند چون از دینامیک ملکولی در این محاسبات خبری نیست ولی توسط رابی این محاسبات برای دمای T≠0 هم بسط داده شد.
تغییر‌پذیری قطبش را می‌توان توسط یک مدل دو بعدی ساده توضیح داد. در این مدل دو بعدی کاتیون های کوچک به سمت یک آنیون تغییر مکان پیدا می کنند. این امر را از دیدگاه انرژی می‌توان توسط یک دیواره پتانسیل دوگانه توضیح داد. هر اختلال کوچکی میتواند باعث شود که این کاتیون به یک سمت حرکت کند و انرژی را کمینه نماید و باعث ایجاد قطبش خودبه خود گردد. یک سد انرژی محدود این دو اندازه انرژی کمینه را از همدیگر جدا کرده است. در مواد فروالکتریک مقدار این انرژی از مرتبه eEc است که E_c میدان بازدارنده است و این میدانی است که لازم است تا جهت قطبش را تغییر دهد. این مفهوم را می‌توان به یک ساختار فروالکتریک سه بعدی تعمیم داد.
وجود یک قطبش تغییرپذیر دلیل اصلی ایجاد غیرخطیت و منحنی پسماند در مواد فروالکتریک است. در مواد فروالکتریک تک حوزه، پاسخ پسماند به‌صورت یک حلقه مربع شکل است (شکل 4).
اگر میدان را حذف کنیم در این حالت هنوز مقداری قطبش الکتریکی در ماده باقی می‌ماند که به این، قطبش باقی مانده می‌گویند. حال اگر جهت میدان را عکس کنیم تا یک میدان خارجی خاص هنوز جهت قطبش عوض نمی‌شود ولی اندازه قطبش کاهش پیدا میکند. میدانی که در آن اندازه قطبش ماده صفر می‌شود میدان بازدارنده نام دارد. حال اگر میدان خارجی بزرگتر شود این میدان میتواند بر سد پتانسیل گفته شده در بالا غلبه کند و باعث تغییر جهت قطبش در ماده گردد.
منحنی پسماند در مواد چند حوزه‌ای دارای تغییرات ملایم‌تری می‌باشد. این امر به دلیل وجود حوزه‌های قطبش در این مواد است.
گذردهی را به کمک رابطه بین میدان و قطبش می‌توان محاسبه کرد. اگر فرض کنیم که تمام سهم‌های دیگر در جابجایی دی‌الکتریک ناچیز باشند (در مقایسه با دو قطبی‌ها) دراین صورت گذردهی را به سادگی می‌توان از رابطه زیر در یک منحنی پسماند محاسبه کرد.
اگر یک ماده فروالکتریک را در بین صفحات یک خازن قرار دهیم ظرفیت خازن متناسب با گذردهی است. در منحنی پسماند قطبش هنوز با گذردهی متناسب است پس می‌توان منحنی E- ε را به جای P-E درنظر گرفت و از آنجا به کمک یک خازن می‌توان منحنی تجربی C-V را رسم کرد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
