Elektromanyetik Teori · 4. Ünite: Madde İçinde Elektrik Alanı

Elektrik Yerdeğiştirme (D Alanı)

Bir dielektrik içindeki alanı bulmak için hem deneyci olarak yerleştirdiğimiz serbest yükü hem de malzemenin kendi kutuplanmasından doğan bağlı yükü bilmemiz gerekir; oysa bağlı yük de alanın sonucudur ve bu bir kısır döngü yaratır. Elektrik yerdeğiştirme (electric displacement) $\vec{D}=\epsilon_0\vec{E}+\vec{P}$ alanı Gauss yasasını bağlı yükten arındırır: $\nabla\cdot\vec{D}=\rho_f$. Bu konunun sonunda simetrik düzeneklerde $\vec{D}$'yi yalnızca serbest yükten hesaplayabilir, arayüzlerdeki sınır koşullarını türetip uygulayabilir ve $\vec{D}$'nin ne zaman işe yaramadığını ($\nabla\times\vec{D}\neq 0$) gerekçesiyle açıklayabilirsin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Bağlı Yük Kısır Döngüsü

  2. Dielektrikte Gauss Yasası ve D Vektörünün Tanımı

  3. Gauss Yasasının Kullanımı: Simetri ve Çözümlü Örnek 1

  4. Çözüm Örnek 2: Dielektrik Kabuklu İletken Küre

  5. D İçin Sınır Koşulları

  6. Çözümlü Örnekler 3 ve 4: Çift Katmanlı Kondansatör ve Kırılma

  7. D Ne Zaman Yararlıdır, Ne Zaman Değildir?

  8. Simülasyonla Keşif ve Karşılaştırma

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Özet

Anahtar terimler

Elektrik yerdeğiştirme (electric displacement) $\vec{D}$
$\vec{D}=\epsilon_0\vec{E}+\vec{P}$ ile tanımlanan, birimi $\text{C/m}^2$ olan yardımcı alan. Diverjansı yalnızca serbest yük yoğunluğuna eşittir: $\nabla\cdot\vec{D}=\rho_f$.
Serbest yük (free charge)
Malzemeden bağımsız olarak yerleştirilen, iletilebilen ya da dışarıdan kontrol edilen yük ($\rho_f$, $\sigma_f$, $Q_f$). $\vec{D}$ alanının diverjans kaynağıdır.
Bağlı yük (bound charge)
Dielektrikte polarizasyon sonucu oluşan ve malzemeden ayrılamayan yük: $\rho_b=-\nabla\cdot\vec{P}$ ve $\sigma_b=\vec{P}\cdot\hat{n}$.
Dielektrikte Gauss yasası
$\oint\vec{D}\cdot d\vec{a}=Q_{f,\text{içeri}}$: Gauss yüzeyi içindeki yalnızca serbest yükü sayan, bağlı yükü bilmeyi gerektirmeyen biçim.
Bağıl geçirgenlik (dielektrik sabiti, relative permittivity)
Doğrusal ortamda $\epsilon_r=1+\chi_e=\epsilon/\epsilon_0$. $\vec{D}=\epsilon_0\epsilon_r\vec{E}$ ve boşlukta $\epsilon_r=1$ olur.
Sınır koşulları (boundary conditions)
Arayüzde $D_2^\perp-D_1^\perp=\sigma_f$, $E_2^\parallel=E_1^\parallel$ ve $D_2^\parallel-D_1^\parallel=P_2^\parallel-P_1^\parallel$. Doğrusal ortamda $\tan\theta_1/\tan\theta_2=\epsilon_1/\epsilon_2$.
D'nin rotasyoneli (curl of D)
$\nabla\times\vec{D}=\nabla\times\vec{P}$. Genelde sıfır olmadığından $\vec{D}$, serbest yükün Coulomb alanı değildir; simetri yoksa Gauss yasası $\vec{D}$'yi tek başına belirlemez.
Elektret (electret)
Dış alan olmadan kalıcı polarizasyon taşıyan malzeme. $\rho_f=0$ olsa da $\vec{D}\neq0$ ve $\nabla\times\vec{D}\neq0$ olabilir.

Örnek soru

Doğrusal bir dielektrik ortamda serbest yük $Q_f$, bağlı yük $Q_b$ ve toplam yük $Q=Q_f+Q_b$ olsun. Kapalı bir $S$ yüzeyi için elektrik yerdeğiştirme $\vec{D}$ cinsinden Gauss yasası aşağıdakilerden hangisidir?

  1. $\oint_S\vec{D}\cdot d\vec{a}=Q/\epsilon_0$
  2. $\oint_S\vec{E}\cdot d\vec{a}=Q_f/\epsilon_0$
  3. $\oint_S\vec{D}\cdot d\vec{a}=Q_{f,\text{içeri}}$
  4. $\oint_S\vec{D}\cdot d\vec{a}=Q_{b,\text{içeri}}$
  5. $\oint_S\vec{P}\cdot d\vec{a}=Q_{f,\text{içeri}}$

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: $\oint_S\vec{D}\cdot d\vec{a}=Q_{f,\text{içeri}}$
1. Toplam yük yoğunluğu $\rho=\rho_f+\rho_b$ ve $\rho_b=-\nabla\cdot\vec{P}$ olduğundan boşluktaki Gauss yasası $\nabla\cdot(\epsilon_0\vec{E}+\vec{P})=\rho_f$ biçimini alır.
2. $\vec{D}=\epsilon_0\vec{E}+\vec{P}$ tanımıyla $\nabla\cdot\vec{D}=\rho_f$ olur; diverjans teoremi ile $\oint\vec{D}\cdot d\vec{a}=\mathbf{Q_{f,\text{içeri}}}$ bulunur.
Çeldiriciler: A şıkkı $\vec{D}$ ile toplam yükü karıştırır, B şıkkı $\vec{E}$ akısını yalnızca serbest yüke bağlar (doğrusu toplam yük), D ve E şıkları $\vec{D}$ ya da $\vec{P}$ akısını bağlı yükle ilişkilendirir (doğrusu $\oint\vec{P}\cdot d\vec{a}=-Q_b$).

Elektromanyetik Teori: tüm konular