מודל מקסוול גרנט

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
הטופולוגיה של תערובת במודל מקסוול גרנט. התנאי הבסיסי לתקפות המודל הוא a<<b<<λ

מודל מקסוול גרנט הוא מודל פיזיקלי, המתאר את המקדם הדיאלקטרי של תערובת המורכבת משני חומרים, בעלי מקדם דיאלקטרי שונה, כל זמן שניתן להתייחס אל אחד החומרים כמארח ולשני כמתארח, אילוח או זיהום. מודל זה מכונה גם לעתים "נוסחת מקסוול גרנט" או "כלל העירבוב של מקסוול גרנט". עיקר חשיבותו של מודל זה בפיזיקה בת ימינו, היא באפיון המקדם הדיאלקטרי של תרכובות ננומטריות (nano-composites). תרכובות אלו, הינן למעשה חומר אשר בתוכו מפוזרים ננו-גבישים.

המודל הוצג בשנת 1904 על ידי ג'יימס קלרק מקסוול גרנט, פיזיקאי בריטי הנקרא על-שם הפיזיקאי הנודע ג'יימס קלרק מקסוול. אביו של מקסוול גרנט, וויליאם גרנט, היה פרופ' לפיזיקה ועבד יחד עם מקסוול במעבדות קוונדיש בהן עבד מקסוול בסוף ימיו. לאות התפעלות ממקסוול, קרא וויליאם לבנו על שמו‏[1]

המודל והנחותיו[עריכת קוד מקור | עריכה]

המודל נכנס תחת הקטגוריה של effective medium approximation ‏‏[2] , מודלים המספקים קירוב של תכונה מאקרוסקופית אפקטיבית לתווך מורכב. מודל מקסוול גרנט דן במקרה ובו ישנו תווך הומוגני, אשר מפוזרים בו בצורה הומוגנית ואיזוטרופית, מזהמים כדוריים מחומר אחר. המודל מספק את המקדם הדיאלקטרי האפקטיבי של תערובת כזו, תחת מספר הנחות:

  • הרדיוס של הכדורים (המסומן ב-a) הרבה יותר קטן מהמרחק האופייני בין הכדורים (המסומן ב-b).
  • המרחק האופייני בין הכדורים הרבה יותר קטן מאורך הגל של השדה האלקטרומגנטי (המסומן ב-λ) שלגביו מעוניינים במקדם הדיאלקטרי.
  • סף תקפות המודל: ישנן דעות שונות לגבי השאלה מתי המודל תקף. ישנם המגדירים שהשבר הנפחי של המזהמים מכלל הנפח של התערובת קטן מ- 20% וישנם אשר מסתפקים בהגדרה "שבר נפחי קטן".

ע"פ המודל, תחת התנאים האלה המקדם הדיאלקטרי האפקטיבי יהיה: \varepsilon_{eff}\,=\,\varepsilon_m\,\frac{\varepsilon_i(1 + 2\delta) - \varepsilon_m(2\delta - 2)}{\varepsilon_m(2 + \delta) + \varepsilon_i(1 - \delta)}

כאשר \varepsilon_{eff} הוא המקדם הדיאלקטרי האפקטיבי, \varepsilon_i המקדם הדיאלקטרי של החומר ממנו עשויים המזהמים, \varepsilon_m המקדם הדיאלקטרי של החומר המארח ו-\delta הוא השבר הנפחי.

הרחבות למודל[עריכת קוד מקור | עריכה]

לקראת סוף המאה העשרים, החלה התפתחות רבה בייצור ננו-גבישים בצורה מבוקרת, מבחינת הגודל והצורה ועוד. התפתחות זו גרמה ל"תהילה מחודשת" של מודל מקסוול גרנט עקב הרלוונטיות המחודשת שלה. עקב כך פותחו מודלים מורחבים למקרים מורכבים יותר:

  • מודל לא לינארי - מודל מורחב המספק את הסוספטיביליות החשמלית מסדרים גבוהים יותר, כאשר אחד החומרים (המארח או המזהמים) או שניהם אינם לינאריים מבחינה אופטית (ראה - אופטיקה לא לינארית).
  • מודל לא איזוטרופי - מודל מורחב המספק את המקדם הדיאלקטרי במקרה שבו המזהמים אינם כדוריים.

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • המאמר המקורי של מקסוול גרנט: J.C.M. Garnett, "Colours in metal glasses and in metallic films", Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 203, pp. 385-420, 1904
  • סוספטביליות לא לינארית: R.W. Boyd, J.E. Sipe, "Nonlinear Susceptibility of Composite Optical Materials in the Maxwell Garnett Model", Physical Review A, Vol. 46, august 1992,
  • סקירה על כל הנושא כולל על מזהמים לא איזוטרופיים: Ari Sihvola, Electromagnetic Mixing Formulas and Applications, Institution of Electrical Engineers in London ,1999

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ מתוך מאמר על מקסוול בכתב העת Mathematics Today: http://www.clerkmaxwellfoundation.org/Maxwell-4-MathsToday.pdf.
  2. ^ לנושא זה אין עדיין תרגום מספק לעברית, אף כי ניתן לראות ערך בנושא בויקיפדיה באנגלית .