Глава 6. Молекулярно-кинетические представления об электромагнитных свойствах сред

6.1 Материальные уравнения среды

     Электромагнитные свойства среды в рамках феноменологического подхода проявляются в так называемых "материальных уравнениях среды"

     

(6.1)

     

(6.2)

     

(6.3)

     Закон Ома в дифференциальной форме (6.1) содержит в себе величину электропроводности как коэффициент пропорциональности между объемной плотностью тока(движение "свободных" зарядов) и напряженностью электрического поля.

      Уравнения (6.2) и (6.3) описывают зависимость поляризованности среды от напряженности электрического поляи намагниченности среды от напряженности магнитного поля. Величина диэлектрической восприимчивостисвязана с существованием электрических диполей в среде и их ориентацией во внешнем по отношению к диполю поле. Величина магнитной восприимчивостисвязана с существованием магнитных диполей в среде и их ориентацией во внешнем по отношению к диполю магнитном поле.

      Соотношения (6.2) и (6.3) объединяет то, что и иобусловлены существованием "связанных" электрических зарядов, т.е. зарядов, которые не могут свободно перемещаться по физическому телу. Хотя диэлектрическая восприимчивостьобусловлена "положением" связанных электрических зарядов в пространстве, а величина магнитной восприимчивостиобусловлена "движением" связанных электрических зарядов (молекулярные токи Ампера), из-за того, что поведение электрического диполяв электрическом полево многом похоже на поведение магнитного поляв магнитном поле, механизмы явлений поляризации среды и намагничения среды во многих случаях оказываются схожими.

      Ниже несколько более подробно рассмотрим физическую природу протекания электрического тока через вещество в рамках макроописания, особенности явления поляризации и намагничения вещества, а в заключение раздела обсудим теорию электропроводности металлов и теорию намагничения парамагнетиков на молекулярно-кинетическом уровне.

6.2 Природа электрического тока в веществе

      Условно все вещества в природе делят на проводники и диэлектрики (изоляторы). Слово "диэлектрик" придумал М.Фарадей: "диа" - по-гречески "через", а "electric" - по-английски "электрический". Термин возник из-за того, что металлы (хорошие проводники электрического тока) хорошо экранируют электростатическое поле, а диэлектрики - это вещества, через которые электростатическое поле "проходит". Электрическое удельное сопротивление металлов лежит в пределах 10^-6 - 10^-4 Ом*см, в то время как у типичных диэлектриков удельное сопротивление ~ 10⁸ - 10¹⁷ Ом*см. Существует и промежуточный класс веществ - так называемые полупроводники.

      Физическое различие между проводником и диэлектриком состоит в различии меры проявления свойств проводимости и свойств поляризуемости вещества.

      Из элементарной молекулярно-кинетической теории следует, что объемная плотность тока представляет собой плотность потока электрического заряда:

     

(6.4)

     где q - заряд единичного носителя заряда, n - объемная концентрация носителей заряда, - средняя скорость направленного движения носителей заряда. Зависимость(6.4) легко обобщается на случай носителей заряда нескольких типов

     

(6.5)

     У различных проводников (и полупроводников, и, строго говоря, у диэлектриков) различны носители заряда, способные перемещаться по физическому объему, величины объемных концентраций и скорости направленного движения. Удобно, вспоминая дифференциальную форму закона Ома, ввести понятие "подвижность носителей заряда", как это сделал Поль Ланжевен в самом начале прошлого века:

     

(6.6)

     где формально величина - это скорость направленного движения носителей заряда сорта i при действии на них поляс величиной 1 В/м. Заметим, что по зависимости(6.6) величина для отрицательных зарядов. Иногда удобно пользоваться соотношением

     

(6.7)

     где комбинация для всех случаев. Использование формулы(6.7) позволяет не принимать во внимание (где это возможно) знак заряда носителей заряда.

     Металлы. В металлах плотность тока проводимости создается электронами. Электрон как элементарная частица был открыт в 1897 г. Дж.Дж.Томсоном. Прямое определение заряда электрона было произведено в опытах Р.Милликена, он оказался по современной совокупности экспериментальных данных равным

     

(6.8)

     В опытах Рикке (Карл Виктор Эдуард) (1845 - 1915) и в опытах Толмена-Стюарта (идея Л.И.Мандельштама и Н.Д.Попалекси) получено убедительное доказательство того, что именно электроны своим движением обуславливают электрический ток. Полученное в этих опытах отношение e/m позволило оценить массу электрона, эта величина оказалась равной:

     

(6.9)

     что примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода. Для металла характерно, что величина объемной концентрации носителей заряда n практически не зависит от температуры, а величина подвижности уменьшается с ростом температуры, иначе: удельное сопротивлениедля металлов растет с повышением температуры. Для металлов также характерно то, что для существования электрона в куске металла как "свободного" заряда (электрона проводимости) не требуется энергия активации.

      Более детальное обсуждение молекулярно-кинетических представлений о закономерностях протекания тока в металлах проведено в последующих частях настоящего раздела.