Диэлектрические и магнитные свойства твердых тел

Диэлектриком называют вещество, которое имеют очень низкую, менее диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru , проводимость. Более строгим критерием является время диэлектрической релаксации диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru , где диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru Ф/м – электрическая постоянная, диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru – относительная диэлектрическая проницаемость, диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru – удельная проводимость. Если диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru , то материал считают диэлектриком.

Диэлектрические свойства среды можно последовательно описать исходя из уравнений Максвелла и уравнений состояния среды

диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru . (5.1)

Электрическое поле внутри тела характеризуется вектором электрической индукции

диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru , (5.2)

где диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru есть электрический дипольный момент единицы объема.

Поляризацией называют состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического момента любого элемента его объема. Макроскопическая поляризация является суммарным действием большого числа элементарных диполей в веществе. Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектрика связанных электрических зарядов, которые уменьшают напряженность электрического поля внутри вещества. Из уравнений (5.1) и (5.2) следует

диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru , (5.3)

где диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru называется диэлектрической восприимчивостью.

В изотропном диэлектрике направления векторов диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru и диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru совпадают. Для анизотропных сред диэлектрическая восприимчивость является тензором, поэтому направления диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru и диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru оказываются разными. Кроме того, в сильных электрических полях нарушается линейная зависимость между поляризацией и напряженностью электрического поля (нелинейные эффекты).

Поляризация веществ обусловлена механизмами, которые различны у разных диэлектриков и могут действовать одновременно. Рассмотрим основные из них.

Электронная поляризация обусловлена упругим сдвигом и деформацией электронных оболочек атомов и ионов. Время установления электронной поляризации мало (~ диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru ), поэтому ее называют мгновенной. Она наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерями энергии вплоть до резонансных частот. Значение диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией определяется квадратом показателя преломления света диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru .

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионной структурой и обусловлена упругим сдвигом разноименно заряженных ионов решетки относительно друг друга. Время установления ионной поляризации решетки диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru .

Дипольно-релаксационная поляризация обусловлена поворотом постоянных электрических диполей из случайных направлений в направлении электрического поля. Поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопротивления, поэтому дипольно-релаксационнаяполяризациясвязана с потерями энергии и нагреванием диэлектрика.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионном диэлектрике с неплотной упаковкой, в частности, в неорганических стеклах или кристаллах типа хлористого цезия. В этом случае слабо связанные ионы вещества под действием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых поворотов получают избыточные повороты в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную решетки. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия решетки, при этом наблюдается необратимое рассеивание энергии.

Следует отметить также электронно-релаксационную поляризацию, которая возникает за счет теплового возбуждения избыточных «дефектных» электронов или дырок, и резонансную поляризацию, связанную с нарушением собственных частот электронов или ионов.

Диэлектрики по механизмам поляризации разделяется на неполярные, полярные(дипольные), ионные. Особую группу образует диэлектрики с непроизвольной (спонтанной) поляризацией – сегнетоэлектрики.

Неполярными диэлектриками являются газы, жидкости и твердые тела в кристаллическом или аморфном состоянии, обладающие только электронной поляризацией.

К полярным диэлектрикам относят жидкие и твердые вещества, обладающие одновременно дипольно-релаксационной и электронной поляризациями.

Ионным диэлектрикам присуща, как правило, ионная и электронная поляризации. В случае неплотной упаковки к названым механизмам добавляется и релаксационный.

5.2. Диэлектрики в постоянном поле. Уравнение Клаузиуса[1]–Моссотти[2]

Рассмотрим свойства диэлектриков в статических полях. Связь между макроскопическими и микроскопическими параметрами вещества, то есть между диэлектрической проницаемостью диэлектрика и поляризацией его молекул, устанавливает уравнение Клаузиуса–Моссотти.

Поле, которое действует на отдельную молекулу, может заметно отличаться от среднего макроскопического E. Как показал Лоренц[3], напряженность локального поля можно представить в виде суммы

диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru . (5.4)

Физический смысл диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru и диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru поясним на следующем примере. Пусть молекула находится в точке А заряженного диэлектрического конденсатора (рис.5.1). Опишем вокруг молекулы сферу, радиус Rкоторой значительно больше радиуса молекулы, так что за пределами сферы можно считать диэлектрик однородным. Мысленно извлечем из сферы все вещество за исключением рассматриваемой молекулы. На поверхности сферы будет индуцироваться связанный заряд, поверхностная плотность диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru которого определяется нормальной к поверхности составляющей вектора поляризации P:

диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru . (5.5)

Этот индуцированный заряд и создает поле диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru . Поле диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru создается в точке А молекулами, расположенными внутри сферы. Можно показать, что в большинстве случаев диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru (в частности, для газов, неполярных жидкостей и твердых тел).

Вычислим поле Лоренца диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru . Элемент площади поверхности сферы диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru создает в точке Аполе, направленное по радиусу:

диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru .

диэлектрические и магнитные свойства твердых тел - student2.ru
Рис. 5.1. Схема к расчету поля Лоренца

Наши рекомендации