Electrodynamics_slides

8. Обзор физических свойств сплошных сред Диэлектрические свойства кристаллов

Кристаллические вещества, в которых при сжатии или растяжении в

определенных направлениях возникает поляризация даже в отсутствие электрического поля, называются пьезоэлектриками, а возникновение поляризации в этом случае называется прямым пьезоэффектом.

Обратный пьезоэффект – появление механической деформации под

действием электрического поля.

В случае электрострикции возникающие в диэлектрики силы квадратичны по полю, а в пьезоэлектриках вследствие определенной кристаллической структуры пропорциональны первой степени напряженности электрического поля.

Сегнетоэлектрики – кристаллические вещества, у которых спонтанная поляризация наблюдается в определенном интервале температур. Величина электрического дипольного момента сегнетоэлектриков достаточно легко изменяется при изменении температуры, наложении

внешних электрических полей и упругих напряжений.

8. Обзор физических свойств сплошных сред Диэлектрические свойства кристаллов

Как правило, сегнетоэлектрик обладает доменной структурой.

Различные домены имеют различное направление поляризации (дипольного момента). В обычных условиях суммарный дипольный момент может отсутствовать.

В состоянии равновесия доменная структура отвечает минимуму

свободной энергии кристалла. Она определяется симметрией кристалла,

расположением дефектов кристалла, а также тем, какие воздействия кристалл испытывал в прошлом.

При наложении внешнего электрического поля происходит перестройка доменной структуры, сопровождающаяся увеличение объемов доменов,

направление поляризации которых совпадает с направлением внешнего

поля.

Кристалл остается поляризованным и после выключения поля в течении длительного времени. Для того, чтобы суммарный дипольный момент снова стал равен нулю, необходимо подвергнуть кристалл действию

достаточно сильного поля противоположного направления.

Таким образом, в сегнетоэлектриках наблюдается явление гистерезиса

8. Обзор физических свойств сплошных сред Диэлектрические свойства кристаллов

Поскольку поляризация сегнетоэлектриков сильно изменяется под

воздействием внешних полей, для них характерна большая величина диэлектрической проницаемости.

Возникновение спонтанной поляризации сегнетоэлектриков наблюдается в полярной фазе. В этом состоянии сегнетоэлектрики

проявляют также пьезоэлектрические свойства.

При повышении температуры происходит фазовый переход из полярной (упорядоченной) фазы в неполярную (неупорядоченную).

В точке фазового перехода спонтанная поляризация исчезает (в некоторых веществах – скачком, что соответствует фазовому переходу

первого рода, в других веществах – непрерывно, при фазовом переходе

второго рода).

Явления, имеющие место при фазовом переходе второго рода, описываются теорией фазовых переходов Ландау. К сегнетоэлектрикам эту теорию применил В. Л. Гинсбург в 1945 году. В качестве параметра

порядка здесь выступает поляризация.

8. Обзор физических свойств сплошных сред Магнитные свойства вещества

Парамагнетиками называются вещества, которые во внешнем магнитном поле приобретают магнитный момент, направление которого совпадает с направлением поля.

для парамагнетиков магнитная восприимчивость χ>0.

Парамагнетизм характерен для веществ, частицы которых обладают собственным магнитным моментом.

В отсутствие внешнего поля магнитные моменты частиц ориентированы хаотически, так что суммарный магнитный момент равен нулю. Во

внешнем поле магнитные моменты частиц ориентируются

преимущественно по направлению поля.

Существование у атомов магнитных моментов обусловлено орбитальными и спиновыми моментами электронов, а также моментами ядер. В металлах существенный вклад в формирование магнитного

момента вносят электроны проводимости. В тех веществах, в которых

нет электронов проводимости, а моменты электронных оболочек атомов скомпенсированы, магнитными моментами обладают только ядра. В этом случае парамагнетизм очень мал и может наблюдаться при сверхнизких температурах.

8. Обзор физических свойств сплошных сред Магнитные свойства вещества

Диамагнетиками называются вещества, которые во внешнем

магнитном поле приобретают магнитный момент, направление которого противоположно направлению поля.

J H для диамагнетиков магнитная восприимчивость χ<0.

В магнитном поле в электронной оболочке каждого атома возникают индуцированные круговые токи. Токи создают в каждом атоме

индуцированный магнитный момент, направленный противоположно

внешнему полю, независимо от того, обладает ли атом собственным магнитным моментом.

Диамагнетизм свойственен всем веществам. Однако намагниченность, связанная с диамагнетизмом, значительно меньше, чем обусловленная

электронным парамагнетизмом.

8. Обзор физических свойств сплошных сред Магнитные свойства вещества

Ферромагнетиками называются вещества, в которых магнитные

моменты атомов параллельны, так что ферромагнетик обладает спонтанной намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Как и спонтанная поляризация сегнетоэлектриков, спонтанная намагниченность ферромагнетиков наблюдается в определенном

интервале температур. Ферромагнетик может обладать доменной

структурой.

Намагниченность нелинейно растет с увеличением напряженности внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса.

При намагничивании изменяются размеры и форма ферромагнетика, т.е.

имеет место эффект, в определенной степени аналогичный

пьезоэффекту в сегнетоэлектриках. Это явление называется

магнитострикцией ферромагнетиков.

При адиабатическом намагничивании и размагничивании наблюдается изменение температуры ферромагнетика (магнетокалорический

эффект).

8. Обзор физических свойств сплошных сред Магнитные свойства вещества

Упорядочение магнитных моментов в ферромагнетике обусловлено

обменным взаимодействием и требует привлечения квантовой теории. При этом необходимо учитывать взаимодействие спинов между собой, а также с внешним магнитным полем.

При определенной температуре (температуре Кюри) происходит

фазовый переход второго рода. Выше температуры Кюри ферромагнетик

переходит в парамагнитное (неупорядоченное) состояние.

Внекоторых случаях ферромагнетик в результате фазового перехода оказывается в антиферромагнитном состоянии.

Вантиферромагнетике магнитные моменты атомов упорядочены

таким образом, что полный магнитный момент равен нулю.

Вантиферромагнетике можно выделить несколько кристаллических подрешеток, причем магнитные моменты разных подрешеток имеют различные направления. Как и в случае ферромагнетика, формирование такой упорядоченной структуры обусловлено обменным

взаимодействием.

9.Электромагнитное поле в среде

спространственной и временной дисперсией

Уравнения Максвелла для электромагнитного поля в среде, были

получены при некоторых допущениях. Основным допущением являлась возможность усреднения по физически бесконечно малым объемам, а также временам, большим по сравнению с характерным временем флуктуаций микроскопического поля.

Однако сделанные нами усреднения неправомерны в случае полей

высокой частоты и в пространственно-неоднородных средах.

Если мы рассматриваем поля высокой частоты ω с длиной волны λ, должны выполняться условия

a – характерный размер частиц вещества, τ – время релаксации, характерное для данного вещества. При выполнении этих условий

Поляризация P в данной точке пространства в данный момент времени

определяется напряженностью электрического поля (средним значением

микроскопического поля),

9.Электромагнитное поле в среде

спространственной и временной дисперсией

Пусть ε(r, r’, t–t’) зависит только от модуля расстояния между точками с радиус-векторами r и r‘,

1d 3k d ei kr t D k,

2 4