Файл: 753.pdf

Макроскопическая картина поляризации диэлектриков с полярными и неполярными молекулами принципиальных отличий не имеет. Основное различие имеется в температурной зависимости диэлектрической проницаемости. У диэлектриков с полярными молекулами она уменьшается с повышением температуры, так как тепловое хаотическое движение препятствует выстраиванию молекулярных диполей вдоль внешнего поля. У диэлектриков с неполярными молекулами диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры очень слабо, в основном по причине теплового расширения диэлектрика (и уменьшения числа молекул в единице объема).

При снятии внешнего поля связанные заряды через время 10-15 −10-10 с исчезают, лишь у отдельных веществ, называемых электретами, связанные заряды сохраняются долгое время при отсутствии внешнего поля.

Вопросы

1.Какова основная причина, по которой напряженность электрического поля в диэлектрике меньше напряженности внешнего поля? Обоснуйте ответ с молекулярной точки зрения.

2.Назовите два типа молекул диэлектрика. В чем различие их электрических свойств?

3.Чем связанные заряды на поверхности диэлектрика отличаются от свободных зарядов на поверхности проводника? Почему заряды не проявляются в объеме диэлектрика?

4.Запишите формулу для вычисления напряженности поля, создаваемого связанными зарядами на поверхностях диэлектрической пластины.

5.Какая величина характеризует поляризацию диэлектрика? В каких единицах она измеряется? Как она связана с поверхностной плотностью связанных зарядов и напряженностью поля в диэлектрике?

6.Что показывает диэлектрическая восприимчивость диэлектрика? Как она связана с диэлектрической проницаемостью?

7.По каким причинам диэлектрическая проницаемость веществ зависит от температуры? Как проявляется эта зависимость?

80

5.2. Магнетики. Магнитное поле в магнетиках

Магнитное поле в веществе отличается от поля в вакууме, поскольку все вещества обладают способностью намагничиваться, то есть создавать собственное магнитное поле под действием внешнего поля. Такие вещества называются магнетиками1. У одних магнетиков эти свойства выражены слабо. Они называются слабомагнитными. Слабомагнитные материалы делятся на два основных класса: парамагнетики, у которых относительная магнитная проницаемость µ (см. раздел 4.2) чуть больше единицы, и диамагнетики, у которых µ чуть меньше единицы. Различие между диамагнетиками и парамагнетиками можно объяснить на молекулярном уровне наличием или отсутствием у молекул вещества постоянного магнитного момента.

Магнитным моментом обладают электроны и ядра, входящие в состав атома. Магнитные свойства вещества определяются, в основном, магнитными моментами электронов. Электроны могут обладать орбитальным магнитным моментом, вызванным движением электрона по замкнутой орбите, которое эквивалентно кольцевому току2. Кроме того, каждый электрон обладает собственным (спиновым) магнитным моментом.

Парамагнитными оказываются вещества, молекулы (или ио- ны) у которых сум-

1Магнетиками являются все вещества. Использование этого термина подчеркивает тот факт, что речь идет о магнитных свойствах.

2По современным представлениям, в атоме электронных орбит нет, тем не менее, значительная часть электронов атома обладает орбитальным магнитным моментом.

81

отсутствуют. Если же вещество поместить во внешнее магнитное поле (например, в соленоид), это поле создаст вращающий момент (см. разд. 3.5), который будет ориентировать магнитные моменты молекул по направлению магнитной индукции поля (рис. 5.4а). Тепловое движение препятствует идеальной ориентации всех магнитных моментов, однако, чем сильнее поле, тем выше будет степень упорядоченности. Полная индукция магнитного поля (то есть сумма индукции внешнего поля и поля упорядоченныхмолекулярныхкольцевыхтоков) несколькопревыситВ0.

Диамагнитными свойствами обладают вещества, молекулы которых не обладают постоянным магнитным моментом. У этих веществ все магнитные моменты электронов и ядер в точности компенсируют друг друга в пределах одной молекулы (атома). Под действием внешнего магнитного поля у молекул в этих веществах возникают магнитные моменты, однако наведенный магнитный момент оказывается направленным противоположно внешнему полю и ослабляет его (рис. 5.4б). Поэтому магнитная индукция в диамагнетике оказывается несколько меньше индукции внешнего поля.

В грубой модели строения вещества магнитные свойства объясняются кольцевыми молекулярными токами. В момент возникновения внешнего магнитного поля в этих молекулярных витках наводится ЭДС индукции, вызывающая дополнительные токи такого направления, которое создает магнитное поле, противоположное по направлению внешнему полю (по правилу Ленца). При установившемся внешнем поле ЭДС исчезает, но наведенный ток существует до выключения внешнего поля (пока ЭДС индукции противоположного знака не прекратит его). Дело в том, что внутри молекул (атомов) нет причин, по которым бы кольцевые токи затухали. Орбитальное движение электронов может существовать как угодно долго, так же долго могут существовать изменения в этомдвижении, появившиесявмоментвключениявнешнегополя.

Диамагнетизм присущ всем веществам, но у парамагнетиков и ферромагнетиков он маскируется гораздо более сильными парамагнитными и ферромагнитными эффектами.

Итак, магнитная индукция поля в веществе определитсяr как векторная сумма индукции внешнего поля B0 и индукции B' поля,

созданного молекулами вещества под действием внешнего поля:

82

Способность вещества создавать внутреннее поле характеризуется намагниченностью (старое название - вектор намагниченности), определяемой аналогично поляризованности (5.4) как

магнитный момент единицы объема вещества:

где prмi - магнитный момент элементарного кольцевого тока (молекулы).

Экспериментально обнаружено, что намагниченность прямо

где χм - магнитная восприимчивость вещества.

В табл. 5.2 приведены значения магнитной восприимчивости для некоторых веществ. Данные для газов получены при давлении 105 Па и комнатной температуре. Поскольку значения χм весьма малы, в таблице они приведены, умноженными на 106.

дающие собственное поле, внутри магнетика в местах их сопри-

83

косновения направлены противоположно и макроскопически компенсируют друг друга. Нескомпенсированными остаются только молекулярные токи, выходящие на поверхность цилиндра. Они создают эквивалентный поверхностный ток Iм. Цилиндр можно рассматривать как соленоид и собственное поле внутри магнетика можно рассчитывать по формуле (3.13), применяемой для поля в вакууме1. В этой формуле произведение nI можно представить, как поверхностный ток iм=nI, приходящийся на единицу длины соленоида. В нашем случае (см. рис. 5.5) iм=Iм /l, поэтому индукцию поля внутри соленоида можно представить как:

B' = µ0iм .

Если рассматривать цилиндр как единый кольцевой виток с током Iм, то его магнитный момент можно определить по формуле (см. раздел 3.5), где S – площадь витка (в данном случае −

основания цилиндра). Тогда можно определить намагниченность вещества цилиндра:

J = рVм = IVмS = Ilм =iм

Как поляризованность определяется через поверхностную плотность связанных зарядов (5.5), так и намагниченность определяется через линейную плотность поверхностного тока (ток, приходящийся на единицу длины). С учетом последних двух соотношений индукцию собственного поля можно записать в виде

Представим в последней формуле намагниченность через

где µ = (1+ χм )- относительная магнитная проницаемость, по-

казывающая, во сколько раз индукция поля в веществе больше, чем поле в вакууме.

Сейчас нам понятно, почему индукция магнитного поля, создаваемого катушками с током (формулы (3.12), (3.13)), увеличивается, если катушки заполнены веществом с µ >1.

1 Магнитные свойства вещества мы сейчас учитываем через магнитное поле молекулярных токов.

84