Электрические и магнитные свойства

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВАДиполь и его электрический (дипольный) момент p = ql .lp+–-q–qДиполь – простейшая электрическая модель молекулы вещества.1P=∆VN∑p,i =1iгде pi − электрический (дипольный) момент i молекулы, N − число молекул вобъеме ∆V , P − вектор поляризации диэлектрика (поляризованность диэлектрика), электрический (дипольный) момент единицы объема диэлектрика.Классификация диэлектриков: неполярные, полярные, сегнетоэлектрики.Неполярные диэлектрикиБез внешнего поля E0 (вектор напряженности электрического поля).Состоят из неполярных молекул, у которых центры положительного и отрицательного зарядов совпадают ( l = 0 ). Поэтомуpi = 0 , P = 0 , E′ = 0 . E ′ − собственное поле диэлектрика.В поле E0 (электронная (деформационная) поляризация молекул).Положительные и отрицательные центры зарядов в молекуле расходятся вразные стороны ( l ≠ 0 ), так что дипольные моменты молекул ориентируютсястрого по полю (индуцированные дипольные моменты).

Поэтомуpi ≠ 0 , P ≠ 0 , E′ ≠ 0.E0< E0 , ε > 1. E − результиεрующее поле в диэлектрике, ε − безразмерная диэлектрическая проницаемостьвещества.pi ↑↑ E0 , P ↑↑ E0 , E′ ↑↓ E0 , E = E0 + E′ ↑↑ E0 , E =Электронная (деформационная) поляризация неполярных молекул,диэлектрическая восприимчивость χ и проницаемость ε средыПусть αэл электронная поляризуемость молекулы. Для сферических молекул αэл, гдерадиус молекулы,объем. Тогда– для газа неполярных молекулε 1 χ 1 αэл ,гдеконцентрация молекул;– для плотного газа, жидкости и кристаллов кубической сингонии682α3 эл .ε 1 χ11α3 элТаким образом, ε и χ не зависят от температуры и поля, зависят от объемамолекул и их концентрации.1Полярные диэлектрикиБез внешнего поля E0Состоят из полярных молекул.

Центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают ( l ≠ 0 ). Поэтомуpi ≠ 0. P = 0 , E′ = 0 − из-за теплового разупорядочения молекул.В поле E0 (ориентационная поляризация молекул)Происходит поворот полярных молекул так, что дипольные моменты молекулориентируются преимущественно по полю. Последнее имеет место из-за ихтеплового разупорядочения. Поэтомуpi ≠ 0 , P ≠ 0 , E′ ≠ 0,E0< E0 , ε > 1.εОриентационная поляризация полярных молекул, диэлектрическаявосприимчивость χ и проницаемость ε средыpi приблизительно ↑↑ E0 , P ↑↑ E0 , E′ ↑↓ E0 , E = E0 + E′ ↑↑ E0 , E =При помещении полярной молекулы, имеющей собственный дипольныймомент , происходит « поворот» молекулы с преимущественной ориентациеймомента по полю.

Пусть αор ориентационная поляризуемость молекулы.αор3ε,гдесобственный дипольный момент молекулы. Тогда:– для газа молекулnε 1 χ 1 αор1,3ε– для плотного газа, жидкости и кристаллов кубической сингонии221αор9ε3ε 1 χ.11α13 ор9εε и χ зависит от температуры, концентрации молекул и их дипольногомомента, не зависит от поля.169Электронная поляризация также имеет место и у полярных молекул,но она много меньше ориентационной.Таким образом, в результате помещения диэлектрика в пространство, гдеесть электростатическое поле, получаемEϕE = 0 , ϕ = 0 ,W = εW0 .εεE0 , ϕ0 ,W0 − напряженность, потенциал и энергия поля без диэлектрика, E , ϕ,W −с диэлектриком (например, в конденсаторе).Поверхностные зарядыПри помещении нейтрального однородного диэлектрика во внешнееэлектрическое поле на его граничных поверхностях возникают разноименныеповерхностные заряды q′ (в целом диэлектрик электронейтрален).

Они и создают собственное электрическое поле диэлектрика.ε −1σ.εσ, σ′ − поверхностные плотности зарядов на обкладках проводника (конденсатора) и на расположенных рядом поверхностях диэлектрика.σ′ = −Зависимость вектора поляризации P от электрического поля Eв диэлектрикеВ простейшем случае для однородных диэлектриков и малых значенийE имеет место линейная зависимость по полюP = χε0 E = (ε − 1)ε0 E ,где χ = ε − 1 > 0 , ε0 − электрическая постоянная. P ↑↑ E.Для больших значений E и небольших T имеет место явление насыщениядля полярных молекул, т.

е. достижения максимально возможного значениявектора поляризации, когда все молекулы повернуты своими дипольными моментами строго по полю. Для неполярных молекул явления насыщения нет. Насыщение для сегнетоэлектрика много больше, чем для полярных молекул.2 – сегнетоэлектрики3 - полярные диэлектрики4 - неполярные диэлектрики1 – сегнетоэлектрики2 - полярные диэлектрики3 - неполярные диэлектрики70Сегнетоэлектрики (ферроэлектрики)– обладают собственным, без внешнего электрического поля, вектором поляризации (спонтанная поляризация), т.

е. являются источниками электрического поля (аналогия с ферромагнетиками).– χ = χ( E ) , ε = ε( E ) и P = χ( E)ε0 E являются нелинейными по E и многозначными (при одном и том же E несколько значений функций), так как имеетместо явление гистерезиса. χ и ε зависят от температуры.– χ и ε могут быть очень большими (тысячи).AНазвания участков кривой гистерезиса:ОС– остаточная поляризованность,ОА– коэрцитивная сила.Сегнетоэлектрик состоит из разных областей(доменов) с одинаковой ориентацией молекул в них.С ростом величины внешнего поля происходит переориентация вдоль поля все большего числа доменов.При нагреве, после достижения температуры Кюри, сегнетоэлектрик переходит в обычный диэлектрик.Виток с током (магнитный диполь) и его магнитный момент pm = ISn .pmnSIn , I , S − вектор нормали, сила тока и площадь витка с током.

Виток с током –простейшая магнитная модель атома (молекулы).1 NJ=∑ pm ,∆V i=1 iгде pmi магнитный момент i атома, N − число атомов в объеме ∆V , J – век-тор намагниченности (магнитный момент единицы объема).Классификация магнетиков:диа-, пара- и ферромагнетики.Диамагнетики (отталкиваются магнитным полем)Без внешнего поля B0 (вектор магнитной индукции)pmi = 0 J = 0 , B′ = 0 − собственное поле магнетика.В поле B0Под действием поля индуцируется ненулевой магнитный момент pmi укаждого атома, строго против поля. Поэтому71pmi ≠ 0 , J ≠ 0 , B′ ≠ 0 ,pmi ↑↓ B0 , J ↑↓ B0 ,B′ ↑↓ B0 , B = B0 + B′ ↑↑ B0 , B = µB0 < B0 , µ1.

B − результи-рующее поле в магнетике, µ − безразмерная магнитная проницаемость вещества.Магнитная восприимчивость χm и проницаемость µ диамагнетиковχm и µ от температурыи поля B не зависят.χ m < 0 , мало (–10-6 ÷ –10-5), µ 1 χm 1.Парамагнетики (втягиваются в магнитное поле)Без внешнего поля B0 .Атом обладает ненулевым магнитным моментом pmi . Поэтомуpmi ≠ 0. J = 0 , B′ = 0 − из-за теплового разупорядочения атомов.В поле B0 .Внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее действие на магнитныемоменты, устанавливая их преимущественно по направлению внешнего поля.Поэтомуpmi ≠ 0 , J ≠ 0 , B′ ≠ 0 ,pmi ~ ↑↑ B0 , J ↑↑ B0 , B′ ↑↑ B0 , B = B0 + B′ ↑↑ B0 , B = µB0 > B0 , µ1.Магнитная восприимчивость χm и проницаемость µ парамагнетиковχm =constconst, µ = 1 + χm = 1 +, от поля B не зависят.TTχ m > 0 , мало (10-5 ÷ 10-3), µ 1 χm 1.Диамагнитные свойства есть у любого магнетика, в том числе у парамагнетика, но они много меньше парамагнитных.Таким образом, в результате помещения магнетика в пространство, гдеесть магнитное поле, получаемB = µB0 ,W = µW0 .B0 ,W0 − магнитная индукция и энергия поля без магнетика, B ,W − магнитнаяиндукция и энергия поля с магнетиком (например соленоида с магнетиком).Поверхностные токиПри помещении однородного магнетика во внешнее магнитное поле наего граничных поверхностях возникают поверхностные (молекулярные) токи I ′ .

Они и создают собственное магнитное поле магнетика.72Введем дополнительный вектор H − напряженность магнитного поля,связанный с (суммарным) полем B в магнетике.B = µµ0 Hили H = B / µµ0 .Зависимость вектора намагниченности J от напряженности магнитногополя H в магнетикеВ простейшем случае для однородных диа- и парамагнетиков и малыхзначений H имеет место линейная зависимость по полюJ = χmµ0 H ,где χm и µ не зависят от H , µ0 − магнитная постоянная.Для диамагнетиков χ m < 0 и J ↑↓ H ( J ↑↓ B0 , B ),Для парамагнетиковχ m > 0 и J ↑↑ H ( J ↑↑ B0 , B ).Для больших значений H и небольших T для парамагнетиков имеет место явление насыщения, т.

е. достижения максимально возможного значениявектора намагниченности, когда все атомы повернуты своими магнитными моментами строго по полю. Для диамагнетиков явления насыщения нет. Насыщение для ферромагнетиков много больше, чем для парамагнетиков2 - ферромагнетик3 - парамагнетик4 - диамагнетикχm1 - ферромагнетик2 - парамагнетик3 - диамагнетикНа рисунке модуль вектора намагниченности обозначен как I.73Ферромагнетики– обладают собственным, без внешнего магнитного поля, вектором намагниченности (спонтанное намагничивание), т.

е. являются источниками магнитного поля, постоянными магнитами (аналогия с сегнето или ферроэлектриками),– χ = χ ( H ) , µ = µ ( H ) , B = µ( H )µ0 H являются нелинейными по H и многозначными (при одном и том же H несколько значений функций), так как имеетместо явление гистерезиса. χm и µ зависят от температуры,– χm и µ могут быть очень большими (тысячи).Вид зависимости µ = µ ( H )Названия участков кривой гистерезисаОС,ON– остаточные индукцииОА,OM– коэрцитивные силыФерромагнетик состоит из разных областей (доменов) с одинаковой ориентацией атомов в них. С ростом величины внешнего поля происходит переориентация вдоль поля все большего числа доменов.