8. Плоские эмв в диэлектриках

В случае малых потерь формулы для вычисления (7.13) и  (7.14) можно упростить, пользуясь разложением приx0.

, откуда из (3.19), (7.25), (7.26) следует

. (8.1)

Аналогичным образом из (7.14) с учетом (6.4) и (7.10) получаем

. (8.2)

8.1. Параметры эмв в диэлектриках с потерями

С учетом (8.2) запишем параметры ЭМВ для диэлектриков

. (8.3)

. (8.4)

. (8.5)

В (8.3)-(8.5) величина v_ – скорость света в диэлектрике с параметрами  и .

. (8.6)

Таким образом, волновое сопротивление диэлектрика можно считать чисто активным, поскольку при tg<0,1 для диэлектриков <6.

Соответственно для вакуума из (8.1)-(8.4) получаем:

, ,,. (8.7)

8.2. Поведение диэлектриков в эмп

Еще М. Фарадей обнаружил, что, помещая диэлектрик между обкладками конденсатора, можно увеличить емкость конденсатора в  раз. Поскольку ток проводимости в диэлектрике практически отсутствует, данное явление можно объяснить поляризацией диэлектрика [3].

Напомним, что электрическим диполем () называется совокупность двух точечных разноименных электрических зарядов (q), равных по величине и разнесенных на малое расстояние (l – плечо диполя). Моментом электрического диполя () называется вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, модуль которого равен произведению заряда на плечо [11].

Поляризованность диэлектрика () – векторная величина, равная пределу отношенияэлектрического момента (суммарного момента электрических диполей) некоторого объема к величине этого объема, который стягивается в точку (V0) : .Поляризованность вещества характеризует его электрическое состояние; обычно она линейно зависит от : .

Коэффициент называетсядиэлектрической восприимчивостью вещества [2]. С учетом соотношения (1.5) можно переписать в виде:

. (8.8)

Поведение диэлектриков в ЭМП зависит от его молекулярной структуры.

Неполярныедиэлектрики имеют молекулы или атомы, у которыхцентрыположительных и отрицательных зарядовсовпадают. Под влиянием внешнего электрического поля возникаетэлектронная поляризация(смещение электронных орбит) ииндуцируется дипольный момент.

Полярные диэлектрикиимеют молекулы, обладающиепостоянными дипольными моментами. Центры положительного и отрицательного зарядов в данных молекулахне совпадают, поскольку в молекулах содержатся атомыразличныхвеществ. Согласно[17]у полярных диэлектриков можно выделитьатомнуюи упругуюполяризации.

Атомная поляризацияхарактерна длятвердых веществ типа хлорида натрия (NaCl). Хотя каждая отдельная пара ионовNa⁺Cl^–представляет собой диполь, в целом из-за образования ионной решетки такой диполь свободно вращаться не может. Под действием внешнего поля происходитизменение дипольного моментаиз-за того, что ЭМП «растягивает»ионы диполя[17].

Упругая дипольная поляризацияхарактерна для воды и других полярных жидкостей,дипольные моментыкоторыхмогут вращаться. Из-за теплового движения дипольные моменты направлены хаотически. Под действием электрического поля происходиториентационная поляризациявещества: дипольные моменты стремятся ориентироваться по полю[17].

Эффект усиливается с понижением температуры.

С ростом частоты ЭМП из-за инерционности молекул (молекулы не успевают поворачиваться в такт с изменением ЭМП) эффект ослабляется [11]. Из-за взаимодействия между молекулами энергия ЭМП преобразуется во внутреннюю (тепловую) энергию вещества.

Данный вид поляризации более подробно рассматривается в разделе 8.3.

Сегнетоэлектрики (сегнетова соль, титанат бария) – монокристаллы, имеющие области (домены) с самопроизвольной поляризацией. Появление ЭМП приводит к лавинообразному ориентированию дипольных моментов всех доменов, поэтомуу сегнетоэлектриков достигает значительных величин.

Хотя принципиально каждаясреда под влиянием внешнего магнитного полянамагничивается, магнитные свойства диэлектриков(в отличие отферромагнетиков) проявляются слабо и практически не принимаются в расчет.

Аналогично понятиям электрического поля (моменту диполя, поляризованности, диэлектрической восприимчивости) для магнетиков(магнитодиэлектриков, в состав которых входят иметаллы) вводятся понятия магнитного момента, намагниченности и магнитной восприимчивости ().

Магнитный момент() создается в веществе под влиянием магнитного поля в результате упорядоченной ориентации молекулярных токов[11].

Намагниченностью вещества () называется предел отношения суммы магнитных моментов некоторого объема вещества к этому объему при стягивании его в точку (V0) : [11].

Интенсивность намагниченности вещества характеризует его магнитное состояние; в линейном приближении она пропорциональна :.

Коэффициент называетсямагнитной восприимчивостью вещества [2]. С учетом соотношения (1.6) можно переписать в виде:

. (8.9)

Изотропные линейные магнетикиразделяют на две группы –парамагнетикиидиамагнетики.

В диамагнетиках(углерод, ртуть, серебро, медь, инертные газы и т. п.[2]) внешнее магнитное полеиндуцируетвнутриатомные кольцевые токи,ослабляющиерезультирующее поле, поэтому<1 (<0).Диамагнетизмпроявляетсяво всехвеществах, но его влияние может оказаться пренебрежимо малым по сравнению с парамагнетизмом и ферромагнетизмом.

В диамагнетиках векторы инаправлены противоположно.

В парамагнетиках(кислород, редкоземельные элементы, алюминий, платина и т. п.[2]) атомы имеютсобственныемагнитныемоменты, создаваемые орбитальным движением электронов. Под действием внешнего магнитного поля данные моментыориентируются, и результирующее поле увеличивается, поэтому>1 (>0). В парамагнетиках векторыисонаправлены.

Магнитные свойства парамагнетиков и диамагнетиков проявляются весьма слабо, поэтому часто полагают, что для этих веществ 1.

Подробно поведение диэлектриков и магнитодиэлектриков в ЭМП рассматривается в учебниках физики [3, 8].

Магнитные свойства ферромагнетиков(железо, никель, кобальт, ферриты) проявляются достаточно сильно. Как известно из физики, данные вещества обладаютнелинейным гистерезисоммеждуи(а такжеи). Ферромагнетизм является частным случаемферримагнетизма. Кристаллическая решетка ферримагнетиков состоит изподрешеток ионов одного типа, каждая из подрешеток имеет свой магнитный момент. Итоговый магнитный момент вещества определяется суммой векторов магнитных моментов подрешеток, которые обычно противоположно направлены. Таким образом, ферромагнетик – это ферримагнетик с одной единственной подрешеткой[1].

В технике СВЧ используют анизотропныесвойстваферритов. Феррит представляет собой твердый раствор углерода в железе. Известно явление ферромагнитного резонанса, при котором энергия ЭМП поглощается в феррите. Подробное исследование физических процессов в ферритах и ферритовых устройствах проводится в курсах «Электродинамика»[11]и «Устройства СВЧ».