전기적편극. 전기분극(電氣分極) · 유전펀극(誘電偏極 ; dielectric polarization)이라고도 한다.

유전체를 전기장 안에 놓으면 천기장내의 양전하(陽電荷)는 전기장의 방향으로, 음전하는 그 반대방향으로, 미소거리만큼 상대적으로 변위한다.

예컨대 무극성(無極性) 분자로 구성된 유전체의 경우, 전기장이 없을 때는 양 · 음의 전하의 중심이 일치하지만, 전기장이 가해지면 그 중심이 어긋난다[그림 1-(a)].

그 결과 유전체의 한쪽 끝면에는 음전하가 나타나 음극이 된다[그림 1-(b)].

이처럼 외부전기장의 작용으로 유전체 내부의 전하가 양 · 음의 극으로 나뉘는 현상을 전기편극이라 하고, 끝면에 나타나는 전하를 극전하(極電荷)라 한다.

유전체의 전기편극은 그것이 생기는 원인에 따라, ① 전자(電子)껍질이 원자핵에 대해 상대적으로 변위함으로써 생기는 전자편극 ② 이온결정에서 양이온과 음이온이 상대적으로 변위하는 이온편극 ③ 영구쌍극자 모멘트를 가지는 분자(유극성분자) 또는 기(基)가 전기장 방향으로 방향을 잡아 생기는 방향편극의 3종류로 분류된다.

〔전기편극의 크기〕 전기편극의 크기는 끝면의 단위 넓이당 편극전하의 양, 즉 편극표면전하밀도 W_p로 나타낼 수 있다.

이 편극상태의 유전체를 단위부피의 정육면체로 분할하면, 각 정육면체는 편극해 편극전하 W_p를 갖고, 이웃한 정육면체의 양 · 음의 전하는 상쇄되어 전체적으로 보면 끝면에 편극전하가 나타나 있다[그림 1-(c)].

이들 각 정육면체는 크기가 W_p이고 방향은 외부전기장 E₀에 평행한 쌍극자 모멘트를 가진다[그림 1-(d)].

펀극한 유전체의 단위 부피당 쌍극자 모멘트 P를 전기편극 벡터라 정의하고, 이 벡터로써 전기편극의 크기와 방향을 나타낼 수 있다.

편극표면전하밀도 W_p는 W_p=|P|로 주어진다.

전기편극 P, 유전체 내부의 전기장 E, 전기력선속(電氣力線束)밀도 D 사이에는

의 관계가 있다.

여기서 ε₀는 진공의 유전율, ε은 비유전율(比誘電率), χ는 전기감수율(電氣感受率)이다.

〔국소전기장〕 유전체 전역에 걸쳐 전기편극 벡터의 크기와 방향이 일정하다면, 그 유전체는 균질하게 편극해 있다고 한다.

예컨대 평등한 전기장 중에 놓인 타원형의 유전체는 균질하게 편극해 있고, 그 유전체 내부의 원자에 작용하는 전기장F를 국소전기장(局所電氣場)이라 하며,

로 주어진다.

γ를 국소전기장 계수라 하며, 등방체(等方體) 또는 단순입방구조의 결정에서는 γ=1/3

가 된다.

이것을 로렌츠의 국소전기장(또는 분자전기장)이라 한다.

이 경우, E는 유전체 내부의 전기장 이고 외부전기장 E₀와는 다르다.

〔편극률〕 유전체에 외부에서 전기장을 가하면 유전체 내부의 원자 · 이온 · 분자 또는 기(基)에는 국소전기장 F가 작용해 원자 · 이온 · 분자 또는 기는 편극해서 쌍극자 모멘트 P가 생긴다.

P는 F에 비례하여,

 

로 주어진다.

이 비례상수 α 를 편극률이라 한다.

편극률은 전자편극률 · 이온편극률 · 방향편극률의 3 부분으로 나눌 수 있다.

이들 세 부분이 어느 주파수 영역에서 편극률에 기여하는가는 [그림 2]에서와 같다.

〔전기장의 주파수와 펀극〕 ① 전자편극 : 전기장의 방향편극은 전기장의 변화에 뒤따르지 못하므로 편극률은 전자편극률과 같아진다.

조화력에 의해 원자에 속박되어 있는 전자는 공진주파수 ω₀에서 공명흡수를 일으킨다.

공진주파수보다 충분히 낮은 주파수에서는, 전자편극률 α_e는

으로 주어진다(e는 전자의 전하, m은 전자의 질량).

이 값은 전자의 보어 반지름을 a, 진공의 유전율을 ε₀라고 하면,

으로 나타낼 수 있다.

보어 반지름 a의 원자를 반지름 a인 도체구(導體球)로 생각하면, 그 전자편극률은 정전기학(靜電氣學)으로부터

과 같다.

전자편극률은 CGS정전기단위에서는 (cm로 표시한 보어 반지름)³ 정도이다.

전자편극률의 주파수 의존성은

으로 주어지고 ω=ω₀에서 공진한다.

② 이온편극 : 이온결정에 격자진동의 고유진동수 이하인 주파수의 전기장을 가하면 이온편극이 나타난다.

양이온과 음이온의 두 부격자(副格子)로 이루 어지는 이온결정의 이온편극의 크기 P는

로 주어진다.

N은 단위부피 속 양 · 음의 이온쌍의 수, e는 이온의 전하, u, v는 양 · 음이온의 변위, μ는 이온쌍의 환산질량, ω_TO는 횡파 광학모드격자진동의 주파수, F는 국소전기장의 세기이다.

이때 유전율은 단일진동자의 분산식

에 따른다.

단, ε(∞), ε(0)은 ω_TO에 비해 각각 충분히 높은 주파수, 충분히 낮은 주파수에 대한 유전율 이다.

③ 방향편극 : 유극성의 분자 또는 기의 방향편극은 저주파에서 생기지만, 10¹⁰Hz 이상에서는 감쇠한다.

유극성 분자의 방향편극의 크기는

로 주어진다.

N은 유극성 분자의 농도, p는 그 영구 쌍극자 모멘트의 세기, F는 국소전기장의 세기, T는 절대온도, k_B는 볼츠만 상수이다.

θ는 영구 쌍극자 모멘트와 전기장이 이루는 각이고,〈 〉은 열평형(熱平衡)에서의 평균값을 의미하며,

로 정의된다(U는 전기장 내에 있는 쌍극자 모멘트의 에너지).

방향편극률은 분자당

이 되어, 절대온도에 반비례하는 특징이 있다.

{(ε-1)/(ε+2)}에 몰부피를 곱한 양(몰편극)을 1/T의 함수로 놓으면, 유극성 분자의 경우에는 p에 의해 정해지는 기울기를 갖는 직선(무극성 분자의 경우에는 수평인 직선)이 되어, 이 직선의 기울기로부터 쌍극자 모멘트의 값이 구해진다.

방향편극률은 외부전기 장의 주파수 ω의 함수이고, 완화형 또는 디바이형의 분산

를 나타낸다.

τ는 완화시간, α₀은 정적(靜的) 방향편극률이다.