3.3.3 Електростатичне поле в діелектриках. Теорема Остроградського-Гаусса для поля в діелектрику.

маємо рівняння:

Розглянемо коли є Енергія : . Якщо ρ=0, то

Теорема Остроградського-Гаусса для поля в діелектрику. Для діелектриків q потрібно розуміти алгебраїчну суму всіх вільних і зв’язаних зарядів, які захоплюються гаусівською поверхнею. . Величину зв’язаних зарядів можна знайти через вектор поляризації Р(при цьому потрібно врахувати що поле зв’язаних зарядів направлено проти зовнішнього поля). . Величина назив електричним зміщенням D

, де . Таким чином т-ма Остроградського-Гауса в діелектрику формулюється так: для довільної замкнутої поверхні S потік вектора зміщення електричного поля D крізь цю поверхню рівний алгебраїчній сумі розміщених в середині цієї поверхні вільних зарядів.

3.3.4. Поляризація діелектриків. Полярні і неполярні діелектрики. Сегнето- і п’єзоелектрики. Антисегнетоелектрики, піроелектрики.

Є три види поляризації: електронна, орієнтаційна і йонна.

Неполярні діелектрики— це речовини, які складаються з неполярних атомів або молекул. У зовнішньому електричному полі просторова симетрія розподілу за­рядів порушується, позитивні заряди зміщуються у напрямі поля, а негативні — у протилежному напрямі. Неполярні молекули стають диполями, напрям дипольних моментів яких збігається з напрямом напруженості поля, тобто діелектрик поляризується. Оскільки в елек­тричному полі зміщуються переважно електрони через малу масу по­рівняно з масою ядер, то механізм поляризації неполярних діелек­триків називають електронним.

Для лінійних ізотропних діелектриків можна вважати, що диполь­ний момент кожної молекули (атома) пропорційний напруженості поля Е, тобто

де — діелектрична сприйнятливість; - напруженість поля.

Діелектрики, що складаються з молекул, власний дипольний мо­мент яких за відсутності зовнішнього поля називають поляр­ними. Полярні діелектрики так само, як і неполярні, у разі відсутнос­ті зовнішнього поля не поляризовані. Це зумовлено тим, що власні дипольні моменти молекул полярних діелектриків внаслідок тепло­вого руху орієнтуються безладно і їхній сумарний дипольний момент у довільному фізично нескінченно малому об'ємі дорівнює нулеві. У зовнішньому полі на кожну молекулу-диполь діє пара сил, яка намагається зорієнтувати сталі дипольні моменти у напрямі на­пруженості поля. Завдяки цьому фізично нескінченно малі об'єми діелектрика набувають результуючих дипольних моментів, тобто діелектрик поляризується. Такий механізм поляризації називають дипольним або орієнтаційним.

Піроелектрика— це явище виникнення електричних зарядів на поверхні деяких кристалічних діелектриків при їх нагріванні або охоло­дженні. У деяких кристалічних діелектриків у стані термодина­мічної рівноваги внаслідок дії внутрішніх сил підгратка позитивних іонів зміщена від­носно підгратки негативних іонів. Од­нак при швидкій зміні температури змінюється і зміщення іонних підграток кристалів, завдяки чому на гранях виникають додаткові зв'язані заряди протилежних знаків, тобто змінюється їхня поляризованість. Наявність цих зарядів і фіксують у макроско­пічних дослідах. Виникнення на поверхні кристалів зв'язаних зарядів при зміні тем­ператури називають прямим піроелектричним ефектом, а самі кристали — піроелек­триками (турмалін, сульфат літію, цукор, окремі види ке^:раміки)( за­стосовуються як індикатори і приймачі випромінюван­ня та пристрої теплового бачення).

Сегнетоелектриками називають полярні кристалічні діелектрики, які в певному інтервалі температур спонтанно поляризовані, а вектор спонтанної поляризації істотно залежить від зовнішніх впливів (елек­тричних полів, змін температури тощо). На межах інтервалу темпера­тур спонтанної поляризації сегнетоелектрики зазнають фазових пе­реходів і стають звичайними полярними діелектриками. Цим вони відрізняються від піроелектриків.

З підвищенням температури вище деякого значення , характер­ного для кожного сегнетоелектрика, відбувається фазовий перехід, внаслідок якого сегнетоелектричні властивості зникають і кристал переходить у звичайний неполярний діелектрик. Такий стан криста­ла називають пароелектричним, а фазу — неполярною. Температуру називають температурою Кюрі або точкою фазового переходу — точ­кою Кюрі. Здебільшого сегнетоелектрики мають одну точку Кюрі, нижче від якої діелектричні кристали є сегнетоелектриками, а вище — звичайними полярними діелектриками. Існує окремий тип сегнетоелектриків, в яких у межах кожного домена орієнтація окремих диполів є антипаралельною. Їх називають антисегнетоелектриками.

У природі існує багато кристалічних речовин, які при деформа­ціях у певних напрямах поляризуються. Явище виникнення на гра­нях кристалів зв'язаних електричних зарядів протилежних знаків внаслідок їх механічної деформації називають прямим п 'єзоелектричним ефектом. Це явище відкрили і дослідили у 1880 р. Жак і П'єр Кюрі на кристалі кварцу. Подальші дослідження показали, що п'єзоелектричні властивості мають майже 1500 різних кристалічних речовин, у тому числі турмалін, цинкова обманка, хло­рат натрію, виннокислий калій, сегнетова сіль, цукор, титанат барію та багато інших. П'єзоелектричний ефект притаманний лише іонним кристалам, які не мають центра симетрії. Знак зв'яза­них зарядів на гранях кристала при деформаціях однозначно визна­чається напрямом і характером деформації. Якщо при стисканні на певній грані виникає позитивний заряд, то при розтягуванні ця грань заряджається негативно. Після припинення деформації кри­сталічний діелектрик повертається в неполярний стан. Такі діелект­рики називають п 'єзоелектриками.

3.3.5 Магнітне поле у речовинах. Магнітні сприйнятливість( ) і проникність( ) речовини. Діа-, пара- та феро- і антиферомагнетизм. Фе­ри­ти. Магнітні властивості речовини визнач маг мом який одержує речовина поміщена в маг поле. Це є намагніченість, вона представляє собою маг мом речовини віднесений до її од об’єму: . Тобто намагніченість в загальному випадку є векторною велич бо вона визнач маг мом. В ізотропній сис намагніченість направлена паралельно або антипаралель напруж маг поля. Намагнічу повяз з напруж маг поля через сприйнятливість . Якщо намагнічене тіло помістити у зовнішнє поле напруж Н, то власне маг поле речовини буде перелельне або анти паралель зовнішньому полю, тому маг індукція в цьому випадку буде представляти собою суму маг індукції зовн. І внутр полів.

В залежності від μ(магнітна проникливість) всі матеріали поділяються на 5 груп:1) діамагнетики - μ<1 і не залеж від зовнішнього поля;2) парамагнетики - μ>1 і не залеж від зовнішнього поля;3) магнетики - μ<<1 і залеж від зовнішнього поля;4) антиферомагнетики - μ>>1 і не залеж від зовнішнього поля;5) феромагнетики – некомпенсовані антиферомагнетики.

Діамагнетики - μ<1 або k_m < 0 (k_m= -(10^-6-10^-7)), даний ефект зумовлений коловим рухом електрона, що спричиняє збільшення струму контуру, в результаті чого виникає додатковий маг мом для електрона, тобто його орбіта починає прецисіювати. Такий додатній момент направлений проти зовнішнього поля, в результаті чого маг сприйнятливість приймає від’ємні значення. До діамаг відносяться: всі інертні гази, вода, мідь, срібло, та сполуки. Зовнішнім проявом діамагнетизму є те що вони виштовхуються з зовні маг поля.

Парамагнетики - k_m > 0 і не залеж від поля (10^-3-10^-6) . Втягуються в магнітне поле. До них належать кисень, лужні та лужноземельні метали, всі солі Fe,Co,Ni, і рідкоземельних металів. Феромагнетики - k_m >> 0 (10⁶) і залежить від маг поля. Їм властива маг впорядкованість маг мом, що забезпечує досягнення насичення при намагніченості. Антиферомагнетики - k_m=10^-3-10^-4 або це такі метали в яких при певній Т виникає спонтанна антипаралельна орієнтація маг атомів. При нагріві всі антиферомаг переход в парамаг стан. Температура цього переходу назив – антиферомагнітною точкою Кюрі. До антиферомаг відносять Be, Mn, Ce і оксиди перехідної групи металів.

Феримагнетики або ферити-магнітновпорядковані речовини, які при низьких температурах, склад із кількох спінових граток, що не поністю компенсують одна одну. Ферити це комплексні солі перехідних металів, н-д MnO*Fe2O3 тощо. Температура переходу з фаримагнітного стану в парамагнітний назв температурою Кюрі.