誘電分極

誘電分極に関する詳細

誘電分極（ゆうでんぶんきょく、dielectric polarization）とは、誘電体（絶縁体）が外部の電場によって電気的に分極する現象を指します。これは電気分極とも呼ばれ、誘電体内部で微視的な電気双極子が整列することで生じます。この結果、誘電体の内部には正負の電荷が並ぶ状態が生まれ、電位差が発生します。

誘電分極の基本

導体で見られる静電誘導とは異なり、誘電体は自由電子を持たず、外部からの電場に対して電荷が移動することはありません。しかし、誘電体を構成する分子には元々電荷の偏りがあり（極性分子）、外部の電場によってこれらの分子が整列します。これによって誘電分極が生じるのです。

誘電分極の定義と計算

誘電分極の度合いを表す量は分極モーメントP（単位：C/m²）で、次のように定義されます。

$$
oldsymbol{P} = oldsymbol{D} - ar{ar{oldsymbol{ ext{ε}}}}_{0} oldsymbol{E}
$$

ここで、Dは電束密度、Eは電場の強さ、ε₀は真空の電気定数です。この式は誘電体の存在によって生じる電束密度の真空からの変化を示しています。また、微視的な見方では、体積内部に存在する電気双極子の合計を取ることで分極Pが表されます。

分極の種類

誘電分極は、いくつかの異なるタイプに分類できます。

1. 電子分極

誘電体内部では、電子は自由に動くことができないため、外から電界が加わると分子内の正電荷と負電荷が異なる方向に分かれ、电子分極が発生します。

2. イオン分極

イオン結晶（例：NaCl）では、外部電界がかかるとNa⁺とCl⁻が相対移動し、双極子が形成される現象をイオン分極と呼びます。

3. 配向分極

誘電体の分子が極性を持つ場合、電界によって分子が整列します。これを配向分極といい、双極子モーメントが電子分極やイオン分極よりも大きいことが特徴です。

4. 空間電荷分極

十分な時間、電界をかけると、分極された電子が誘電体内を移動し、空間電荷を形成します。これを空間電荷分極といいます。

5. 自発分極

強誘電体や焦電体では、外部電界がなくても、プラス・マイナスの電荷が引き合って全ての分子が整然と並び、分極区域が形成されることがあります。これが自発分極です。

ヒステリシス特性

強誘電体では、十分な強度の電界が加わると自発分極の方向が変わり、全ての分極が揃うことで飽和します。この状態では、外部電界が消えても分極電荷が残り、ヒステリシス特性を示します。

圧電性と撓電性

圧電体では、外部から加えられる振動や衝撃が双極子に影響を与えて短時間だけ高電圧を生じる圧電性を示します。撓電性は、曲げなどによるひずみ勾配に応じて分極が発生します。

まとめ

誘電分極は、物質の電気的性質を理解する上で重要な概念です。様々な種類の分極が相互に作用し、物理現象や材料科学における応用が広がります。

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