Может ли поляризоваться проводник?

[Fedor F]

Во-первых, мы должны выяснить, что такое поляризация и какими параметрами она характеризуется. Представим себе два шарика, которые прикреплены к обоим концам пружины. Если начать растягивать такие шарики, то в пружине будет накапливаться потенциальная энергия. Если заттем шарики отпустить, то начнется колебательный прцесс, при котором вся потенциальная энергия, запасенная в пружине, в конце концов перевратиться в тепло, т.е. в кинетическую энергию. Если теперь взять заряженные шарики и прикрепить их к пружине, то растягивать такие шарики можно, поместив их в электрическое поле. Причем, чем больше электрическое поле, тем на большую величину будет растянутта пружина, и тем большее количество потенциальной энергии будет в ней запасено. Растягивание электрических шариков при помощи электрического поля будет сопровождаться ещё одной особенностью. Оказывается, что само электрическое поле, существующее при этом между шариками, будет меньше приложенного поля, т.к. электрическое поле, создаваемое самими зарядами всегда направлено по нправлению, которое является обратным приложенному полю. Таким образом, связанные электрические заряды, которые принято называть электрическим диполем, могут поляризоваться (растягиваться) в электрических полях. При этом электрическое поле между самими зарядами будет меньше, чем приложенное поле.
Если в электрическое поле поместить пластину из проводника, в которой заряды не связаны с ионами рещетки и могут свободно двигаться, то на пртивоположных гранях пластины возникнут поверхностные заряды, поля которых полностью скомпенсируют внутри проводника приложенное электрическое поле. В данном случае мы можем говорить, что величина вектора поляризации в точности равна приложеному электрическому полю, но по направлению этот вектор противоположен направлению приложенного электрического поля. В данном случае, т.е. для ограниченного с двух сторон проводника, мы можем говорить о его поляризации.
Теперь рассмотрим случай, когда вторичной обмоткой трансформатора является один короткозамкнутый виток. Если в впервичную обмотку трансформатора начать вводить ток, то ток возникнет и во вторичной обмотке. Причем увеличение тока во вторичной обмотке будет наблюдаться до тех пор, пока меняется ток в первичной обмотке. При таком рассмотрении считается, что короткозамкнутый виток выполнен из мтериала, не имеющего сопротивления. Спрашивается, будет ли иметь место поляризация свободных зарядов в короткозамкнутом витке? В этом случае поляризации быть не может, поскольку от местоположения зарядов в короткозамкнутом витке их потенциальная энергия не зависит, и накпливать они такую энергию не могут. Таким образом, в проводниках на микроскопическом уровне вектор поляризации существовать не может, т.к. не могут существовать связанные электрические диполи, которые могут запасать потенциальную энергию. Следовательно, при рассмотрении электродинамических процессов в проводниках вектор поляризации вводить нельзя. А вот во всех фундаментальных трудах по электродинамике сплошных сред вектор поляризации в проводниках вводиться (см например Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц «Электродинамика сплошных сред»). Я хочу задать вопрос специалистам в области электродинамики: « На каком основании это делается?» Я считаю, что это ошибка.

[abc_qmost]

Fedor F писал(а):

Во-первых, мы должны выяснить, что такое поляризация и какими параметрами она характеризуется.

Не надо пудрить мозги. Возьмите учебник и найдете там ответ. Предлагаю отправить в дискуссионный раздел.

[Freude]

В сплошных средах есть взаимодействие электронов проводимости с положительно заряженным остовом решетки. Поляризация возникает в высокочастотном электромагнитном поле вследствие сдвига плотности отрицательных зарядов относительно положительных зарядов. Поляризация будет сильно зависеть от частоты поля (!). Дополнительным эффектом для полупроводников является поляризация обусловленная экситонным взаимодействием, т.е. взаимодействие с диполем электрон-дырка.

Добавлено спустя 28 минут 33 секунды:

Вот хорошее определение поляризации для кристаллических веществ (Resta R. Rev Mod Phys, 66 (1994), 899-915):

$$\overrightarrow{P}=\frac{1}{V} \left(-e \sum_i Z_i \overrightarrow{R}_i + \int \overrightarrow{r} \rho (\overrightarrow{r}) d \overrightarrow{r} \right)$$

$$eZ_i$$

- положительный заряд ионов

$$\rho (\overrightarrow{r})$$

- плотность электронов, интегрирование по элементарной ячейке

Другое определение для экситонов в формализме вторичного квантования:

$$P=<a^*b^*>$$

$$a^*$$

- оператор рождения электрона

$$b^*$$

- оператор рождения дырки

Пару страниц об операторе поляризации есть тут Mahan G. Many-particle physics

[Fedor F]

Freude писал(а):

В сплошных средах есть взаимодействие электронов проводимости с положительно заряженным остовом решетки. Поляризация возникает в высокочастотном электромагнитном поле вследствие сдвига плотности отрицательных зарядов относительно положительных зарядов. Поляризация будет сильно зависеть от частоты поля (!). Дополнительным эффектом для полупроводников является поляризация обусловленная экситонным взаимодействием, т.е. взаимодействие с диполем электрон-дырка.

Добавлено спустя 28 минут 33 секунды:

Вот хорошее определение поляризации для кристаллических веществ (Resta R. Rev Mod Phys, 66 (1994), 899-915):

$$\overrightarrow{P}=\frac{1}{V} \left(-e \sum_i Z_i \overrightarrow{R}_i + \int \overrightarrow{r} \rho (\overrightarrow{r}) d \overrightarrow{r} \right)$$

$$eZ_i$$

- положительный заряд ионов

$$\rho (\overrightarrow{r})$$

- плотность электронов, интегрирование по элементарной ячейке

Другое определение для экситонов в формализме вторичного квантования:

$$P=<a^*b^*>$$

$$a^*$$

- оператор рождения электрона

$$b^*$$

- оператор рождения дырки

Пару страниц об операторе поляризации есть тут Mahan G. Many-particle physics

Уважаемый, Freude!
Думаю, Вы согласитесь с тем, что поляризация всегда связана с накоплением потенциальной энерги? то-ли за счет электронной поляризации атомов или молекул, или с поляризацией (выравниванием по направлению поля) уже существующих электрических моментов молекул. В проводниках носители тока свободны и диполей образовывать не могут, поэтому и потенциальную энергию они запасать не могут. Где произошла ошибка. Откройте стр. 318 "Электродинамики сплошных сред" Ландау и Лифшица. Посмотрите- берется уравнение свободного движения заряда в переменном поле и получаемую амплитуду колебаний вставляют в вектор поляризации, но такую процедуру можно осуществлять только для связанных зарядов, причем только для постоянных полей. при этом мы вычислим максимально возможную поляризацию. Что же будет с вектором поляризации с ростом частоты прикладываемого электрического поля. Ввиду наличия инерции зарядов они не будут успевать следовать за полем (будет проявляться их кинетическая индуктивность), и вектор поляризации начнет уменьшаться. И на очень высоких частотах он вобще проявляться практически не будет. Но на всех частотах прикладывемого поля в связанных диполях все равно будет накапливаться потенциальная энергия. На низких частотах она будет больше, на высоких- меньше. На очень высоких частотах, когда амплитуда вектора поляризации будет очень мала, разницы между проводниками и диэлектриками практически не будет.Однако диэлектрики отличаются от проводников тем, что в дилектриках он всегда присутствует, хотя и зависит от частоты, а впроводниках на микроскопичесом уровне оно всегда равен нулю, т.к. нет связанных зарядов, т.е. диполей. Что означает та процедура, которая испльзуется Ландау. Она означает, что в энергию поляризации, которая по определению всегда должна быть потенциальной, мы вводим кинетическую энергию. Отсюда следуют дальнейшие ошибки. Эта процедура приводит к введению дисперсии диэлектрической проницаемости, что тоже является физической ошибкой (см. в этом же разделе статью "Имеет ли дисперсию диэлектрическая проницаемость")
С уважением Ф. Ф. Менде

[Freude]

Твердое тело, как правило, нейтрально, это означает что заряд всех электронов проводимости компенсируется положительным зарядом остова. При отсутствии внешнего поля электроны распределяются таким образом, чтобы энергия всего кристала была минимальной и при этом не нарушались квантовомеханические принципы (типа принципа Паули). Температурные явления приводят к разбросу электронов в пространстве и по энергиям, но, в среднем, ситуация, как я описал. Теперь прикладываем внешнее поле, энергия поля уходит на то, чтобы изменить равновестное распределение электронов в каждой элементарной ячейке, в которой образуется дипольный момент. Другой пример более чувствительного диполя к внешнему полю оптической частоты - экситон. Кулоновским взаимодействием электрона и остова пренебрегать нельзя, т.к. других причин удерживающих стабильную электронную плазму нет (это можно сделать, только если ввести частотно зависимую диэлектрическую проницаемость среды и энергетически зависимую эффективную массу).

То, что вы написали о том, что на высоких частотах поляризация должна ослабевать, справедливо пожалуй только для систем, где электрон не имеет среднего постоянного орбитального момента. Это не имеет место быть в твердом теле. Напротив. Хорошей моделью оптического отклика металла, полупроводника является осциляторная модель, в которой каждая точка к-пространства рассматривается как осцилятор. Понятное дело, что отклик осцилятора на гармоническое воздействие наиболее сильно, когда происходит резонанс собственной частоты осцилятора и частоты внешнего поля.

Я просматривал работы об ошибочности введения понятия дисперсии диэлектрической проницаемости, однако, не понял почему. Кроме того, не понятно какую замену предлагают авторы этой теории, единственной, которая сейчас используется для описания оптического отклика твердых тел и плазмы.

По поводу Ландау-Лифшица. У меня есть эта книга, но иностранное издание. Скажите, пожалуйста, как называется глава и раздел, на этой странице у меня ничего о поляризации нет.

[photon]

photon:

Поехали в Дискуссионный раздел. Fedor F, Вы не заметили, что все Ваши темы имеют дискуссионный характер и переносятся мной в дискуссионный раздел? - В следующий раз это будет рассматриваться как оффтопик

[Fedor F]

[quote="photon"][/quote]

Уважаемый, photon!
С переносом этой темы и темы "Существует ли дисперсия диэлектрической проницаемости плазмы" в дискусионный клуб согласиться не могу. Вы наверное подумали, что написал их новичёк в электродинамике. Откройте, пожалуйста, мою фамилию в поисковой системе Google на английском языке. Многотомный курс Л.Д. Ландау имеет прямое отношение к физике, но в нём, к сожалению, имеются ошибки. На эти ошибки в максимально вежливой форме и указано в названних работах.Но написаны они так, чотбы понятны были даже студентам, и, чтобы при изучении этого курса, они имели это ввиду. Конечно, в очень коротком сообщении на форуме нельзя полностью раскрыть тему, хотя основные моменты в статьях указаны. Для более подробного изучения этого вопроса я и отсылаю всех к своему сайту. Если вы сами физик, то прошу и Вас посмотреть на этом сайте работу "Существуют ли ошибки в современной физике?", и Вы откроете для себя целый ряд неожиданных моментов. Прошу переместить указанные работы назад в раздел "Физика"

С уважением д.т.н. Менде Федор Федорович

[photon]

photon:

Fedor F, Вам замечание за обсуждение действий модератора в неподходящем разделе. Читайте правила.

Темы Ваши подразумевают дискуссию, поэтому дискуссионный раздел.
Замечу, раздел, а не клуб - здесь нет клубов.

[Fedor F]

[quote="photon"][/quote]
Приношу свои извинения, участвую в форумах недавно, все правила еще не запомнил.
С уважением Ф. Ф. Менде

[Sidar]

На вопрос "может ли поляризоваться проводник?" имеется однозначный ответ – Да, электропроводник может поляризоваться, если имеются условия для локального смещения или сосредоточения электрических зарядов (свободных или связанных) и образования электрического момента элемента объёма вещества или всего тела..
По стандартному определению:
Электрическая поляризация – Состояние вещества, при котором электрический момент данного объёма этого вещества имеет значение, отличное от нуля.
[п. 34, ГОСТ 19880-74 (стран СНГ)]
[п.36, ГОСТ Р 52002-2003 (России)]
Примером такой электрической поляризации во внешнем электрическом поле могут служить «искусственные диэлектрики» (в частности, с мелкозернистыми электропроводящими включениями). Впрочем, также как и ферриты, биологические ткани (с внутриклеточными электролитами) и другие диэлектрики неоднородной структуры (с поляризацией по механизму Максвелла-Вагнера), отличающиеся высочайшими значениями диэлектрической проницаемости на низких частотах.
Если в поставленном вопросе речь идёт только о металлических проводниках (а не полупроводниках), то здесь следует учитываить присущие только им особенности (неподвижная решётка с положительными зарядами и свободные электроны). А одни только подвижные электроны в проводящем металле (в отличие, от полупроводника или плазмы), естественно, в элементах объёма однородного «электронного облака» электрических моментов образовать не могут.

[Tiger-OZ]

Например эффект Холла - возникновение разности потенциалов на противоположных сторонах (не путать с концами провода) провода. Чем не поляризация.

Добавлено спустя 5 минут 47 секунд:

Потом. Почему не может для проводников. Чем они, проводники отличаются от полупроводников и диэлектриков? В принципе ничем, кроме значения проводимости. Грань очень зыбкая. Нет разделения вот это проводник, а это полупроводник. Есть материалы, которые трудно отнести к проводникам или к полупроводникам.

[Fedor F]

Sidar писал(а):

А одни только подвижные электроны в проводящем металле (в отличие, от полупроводника или плазмы), естественно, в элементах объёма однородного «электронного облака» электрических моментов образовать не могут.

Уважаемый, Sidar!
Большое спасибо за ценную информацию. Не знал, что понятие поляризации даже гостировано. Но кажется одного участника форума я уже убедил в том, что проводники на микроскопическом уровне поляризоваться не могут. У меня к Вам просьба. Посмотрите, пожалуйста, на моём сайте работу "Существуют ли ошибки в современной физике?" стр.37, гле рассмотрен вопрос об ошибочности введения в проводниках вектора поляризации, и согласны ли Вы с таким утверждением?
С уважением Ф. Ф. Менде

Добавлено спустя 12 минут 4 секунды:

Tiger-OZ писал(а):

Например эффект Холла - возникновение разности потенциалов на противоположных сторонах (не путать с концами провода) провода. Чем не поляризация.
.

Уважаемый, Tiger-OZ!
Очень интересный вопрос. Думаю, что на макроскопическом уровне, поскольку у образца есть грани, на которых может накапливаться поверхностный заряд, который и генерирует вектор поляризации, это явление приводит к поляризации образца. Что же касается поляризации проводников и диэлектриков, то при наличии свободных зарядов поляризации на микроскопическом уровне быть не может.
С уважением Ф. Ф. Менде

[Sidar]

Tiger-OZ писал(а):

Например эффект Холла - возникновение разности потенциалов на противоположных сторонах (не путать с концами провода) провода. Чем не поляризация.

Добавлено спустя 5 минут 47 секунд:

Потом. Почему не может для проводников. Чем они, проводники отличаются от полупроводников и диэлектриков? В принципе ничем, кроме значения проводимости. Грань очень зыбкая. Нет разделения вот это проводник, а это полупроводник. Есть материалы, которые трудно отнести к проводникам или к полупроводникам.

==========================================
В отношении «поляризации проводника» вследствие эффекта Холла необходимо отметить некоторые смысловые и физические тонкости. Во-первых, здесь имеет место макроскопическая поляризация всего тела (проводника) при отсутствии (прежде всего, в металлических проводниках) микроскопической объёмной поляризации. Во-вторых, электрический момент этого «макроскопического диполя» не задействован как таковой для взаимодействия с внешним электрическим полем (в аспекте электродинамики сплошных сред). Кроме того, эту разновидность «поляризации проводника» скорее можно отнести к специальному случаю локальной «электризации проводящего тела» в результате разделения зарядов в условиях эффекта Холла.
Что касается различий условий для возникновения поляризации в различных типах электропроводников (металлических проводников, полупроводников и несовершенных диэлектриков), то именно этим они и отличаются (несмотря на размытость границ по величине удельного электросопротивления или ширине запрещённой зоны). В массивных металлических проводниках микроскопическая объёмная поляризация (в отличие от полупроводников и несовершенных диэлектриков) не наблюдается..

[Михаил Дмитриев]

Fedor F писал(а):

Теперь рассмотрим случай, когда вторичной обмоткой трансформатора является один короткозамкнутый виток. Если в впервичную обмотку трансформатора начать вводить ток, то ток возникнет и во вторичной обмотке. Причем увеличение тока во вторичной обмотке будет наблюдаться до тех пор, пока меняется ток в первичной обмотке. При таком рассмотрении считается, что короткозамкнутый виток выполнен из мтериала, не имеющего сопротивления. Спрашивается, будет ли иметь место поляризация свободных зарядов в короткозамкнутом витке?

Позвольте уточнить параметры трансформатора. Вы не упомянули воздушный он или с сердечником. Во втором случае - материал сердечника. Это уточнение сразу снимает вопрос о частоте, на которой проводится опыт. Воздушный трансформатор может работать только на очень высокой частоте, с ферритовым сердечником на высокой, с сердечником из электротехнической стали- только на низкой частоте. Вот вам и частотная дисперсия передающей колебания среды в самом наглядном виде.
Далее следует рассмотреть режимы работы трансформатора.
В режиме ХХ (холостого хода, когда концы вторичной обмотки разомкнуты) на рабочей частоте,
на концах вторичной обмотки возникает ЭДС (электродвижущая сила), величина которой зависит от коэффициента трансформации (пусть это будет 12 вольт, например). Вторичная (как и первичная) обмотка чаще всего выполняется из медного провода, являющегося отличным проводником. Если трансформатор работает на частоте 50 Гц, то на зажимах вторичной обмотки с этой же частотой происходит переполюсовка зарядов- смена "плюса" на "минус" и наоборот. Чем не поляризация по всей длине проводника вторичной обмотки?
Если режим НН (номинальной нагрузки) мало отличается от режима ХХ, то режим КЗ- радикально. Даже при использовании реальных медных проводников ( с ограниченным сечением и проводимостью) и большим количеством витков во вторичной обмотке, напряжение на первичной обмотке не может превышать 0,05- 0,15 Uн (номинальное напряжение). При одном витке во вторичной обмотке и того меньше.
А вот сверхпроводящая замкнутая вторичная обмотка не позволит подавать на первичную обмотку никакого напряжения вообще, если источник ЭДС и первичная обмотка не рассчитаны на бесконечно большой ток. В реальности такую ситуацию сложно представить.
А нужна ли нам она такая- сверхпроводящая вся? Ничего это ведь и не меняет в принципе.
Итак, вторичная обмотка из обычного медного провода. Один короткозамкнутый виток. В разрыв включаем измерительный трансформатор тока.
Включаем рубильник и наблюдаем показание амперметра, соединенного с выходом измерительного трансформатора. Пусть он показывает 200А, например.
Мы знаем, что ток в проводнике без ЭДС возникнуть не может. В нашем случае соответствующая току ЭДС (поляризация) тоже присутствует, только фиксированных полюсов ее мы в замкнутом проводнике обнаружить не сможем.
Почему?
Вывод может быть только один- эти полюса перемещаются по проводнику вторичной обмотки вместе с потоком, создаваемым первичной обмоткой.
Вот такие пироги получаются.
Видите- ли, мне и электриком (проектировщиком электрических сетей) поработать довелось одно время.
Извините, что вмешался в ваш высоконаучный диспут. Надеюсь, не помешал.

[Sidar]

Fedor F писал(а):

Sidar писал(а):

А одни только подвижные электроны в проводящем металле (в отличие, от полупроводника или плазмы), естественно, в элементах объёма однородного «электронного облака» электрических моментов образовать не могут.

Уважаемый, Sidar!
Большое спасибо за ценную информацию. Не знал, что понятие поляризации даже гостировано. Но кажется одного участника форума я уже убедил в том, что проводники на микроскопическом уровне поляризоваться не могут. У меня к Вам просьба. Посмотрите, пожалуйста, на моём сайте работу "Существуют ли ошибки в современной физике?" стр.37, гле рассмотрен вопрос об ошибочности введения в проводниках вектора поляризации, и согласны ли Вы с таким утверждением?
С уважением Ф. Ф. Менде

================================================
Нет особой необходимости убеждать кого-либо в выдвинутом тезисе, так как истина достаточно тривиальна. Но в любом случае желательны вполне точные и аккуратные формулировки. Как известно, «ГОСТировано» не только «понятие поляризации», но и понятие «проводника». В соответствии с этим к проводникам в широком смысле, кроме металлов (с электронной проводимостью), относятся также полупроводники (с электронно-дырочной проводимостью), полуметаллы, несовершенные диэлектрики (с ионной и электронной проводимостью), электролиты (с ионной и молионной проводимостью), плазма (с ионной и электронной проводимостью), сверхпроводники и другие. Существенно, что в большинстве из этих «проводников» (например, в кристаллических полупроводниках, жидких и твёрдых несовершенных диэлектриках) процессы «сквозной проводимости» и «диэлектрической поляризации» существуют одновременно и независимо, чётко проявляясь по динамическим свойствам в их полных характеристических диэлектрических (электрических) спектрах.
Более того, в полупроводниках и несовершенных диэлектриках в ряде случаев наблюдается локальное сосредоточение «вмороженных» электрических «объёмных зарядов» разноимённых знаков, что рассматривается в качестве одной из разновидностей «электрической поляризации» [Джоветт Ч. Е. Статическое электричество в электронике. – М.: Энергия, 1980 (с. 19, Рис. 1.3. Типы поляризации)]. В результате совершенно ясно, что эти «проводники» прекрасно объёмно электрически поляризуются на любом уровне (макроскопическом или микроскопическом).
Поэтому ваш вопрос в большей мере относится лишь к отдельным видам из известных проводников (в частности, к металлам и плазме). Другие проводники во всех случаях успешно поляризуются.

Что касается «ошибочного» представления процесса «проводимости» на высоких частотах в виде непрерывного процесса «мнимой переполяризации» (с введением некоторого «поляризационного вектора» для электронов) [упомянутая «Электродинамика сплошных сред». – М.: 1959, с. 318]., то такой формальный подход в принципе математически допустим, однако, подобная нетрадиционная ориентация в трактовке явлений вряд ли в данном случае физически оправдана.