Проводники и диэлектрики

По электрическим свойствам все вещества подразделяются на проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы). Вещества, проводящие электрический ток, называются проводниками. Диэлектриками называются вещества, не способные проводить электрический ток. Идеальных изоляторов в природе не существует, все вещества хотя бы в ничтожной степени проводят электрический ток. Вещества, называемые диэлектриками, проводят ток в 10¹⁵ – 10²⁰ раз хуже, чем вещества, называемые проводниками.

Опыт показывает, что электрическое поле внутри проводника (например, металла) всегда равно нулю. При помещении проводника в электростатическое поле в проводнике начинается перемещение зарядов под действием сил поля. Это перемещение (ток) продолжается до тех пор, пока внутри проводника не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле не обратится в нуль. Этот процесс продолжается в течение очень короткого промежутка времени (~10^–6 с). Если бы поле внутри проводника не было бы равно нулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение электрических зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии. Отсутствие поля внутри проводника означает, что все его точки обладают одинаковым потенциалом, т.е. поверхность проводника в электрическом поле является эквипотенциальной.

Под действием электрического поля диэлектрик поляризуется и электрическое поле внутри его становится меньше внешнего. Процесс поляризации диэлектриков связан с возникновением в нем отличного от нуля результирующего дипольного момента всех его молекул. Обычно в отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты молекул диэлектрика либо равны нулю (неполярные молекулы, например, Н₂, О₂, N₂), либо распределены по направлениям в пространстве хаотически (полярные молекулы, например, NH, HCl, CO). При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит либо появление дипольного момента у неполярных молекул (электронная поляризация), либо появляется преимущественное направление ориентации дипольных моментов у полярных молекул. В обоих случаях в результате в диэлектрике возникает отличный от нуля электрический дипольный момент. Возникшее в результате поляризации электрическое поле (т.н. поле связанных зарядов) направлено противоположно внешнему электрическому полю, поэтому результирующее электрическое поле в диэлектрике всегда меньше соответствующего электрического поля в вакууме. Диэлектрической проницаемостьюдиэлектрика ε называется безразмерная величина, показывающая, во сколько раз напряженность электрического поля в диэлектрике Е меньше, чем напряженность электрического поля в вакууме Е₀:

ε= Е₀/Е (2.6.14)

Обычно диэлектрическая проницаемость диэлектриков составляет несколько единиц (например, в стекле электрическое поле ослабляется по сравнению с вакуумом в 6 раз, в глицерине в 39 раз, в воде – в 81).

Большую практическую ценность представляют сегнетоэлектрики – диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью. К сегнетоэлектрикам относятся, например, сегнетова соль NaKC₄H₄O₆×4H₂O и титанат бария BaTiO₃. Сегнетоэлектрики отличаются от обычных диэлектриков рядом характерных особенностей: большим значением диэлектрической проницаемости (порядка нескольких тысяч), зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности внешнего поля и наличием гистерезиса. Поведение поляризованности сегнетоэлектриков аналогично поведению намагниченности ферромагнетиков, поэтому сегнетоэлектрики иногда называют ферроэлектриками.

Свойства сегнетоэлектриков объясняются следующим образом. Взаимодействие частиц в кристалле сегнетоэлектрика приводит к тому, что их дипольные моменты спонтанно устанавливаются параллельно друг к другу. В кристалле возникают области, в пределах каждой из которых дипольные моменты параллельны друг к другу, однако направления поляризации разных областей различны. Такие области спонтанной поляризации называются доменами. Под действием внешнего поля моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь по направлению поля.

В настоящее время известно более сотни сегнетоэлектриков и большое количество их твердых растворов. Сегнетоэлектрики широко применяются в качестве материалов с большими значениями диэлектрической проницаемости (например, в конденсаторах). Титанат бария используется в качестве генератора и приемника ультразвуковых волн.

Магнетики

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются (приобретают магнитный момент), т.е. являются магнетиками. Для объяснения магнитных свойств веществ необходимо рассмотреть поведение электронов в атомах и молекулах магнетиков.

Согласно предположению А. Ампера в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти токи называются микротоками, в отличие от макротоков, текущих в проводниках. Эти микротоки создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макротоков. Вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками.

Магнитное поле макротоков описывается вектором напряженности магнитного поля . В случае однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности следующим соотношением

В=m₀mН (2.6.15)

где m₀ – магнитная постоянная, m – магнитная проницаемость, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков H усиливается за счет поля микротоков среды.

В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

m < 1 Диамагнетики;

m > 1 парамагнетики;

m>>1 ферромагнетики.

Вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками. К диамагнетикам относятся многие металлы (Bi, Ag, Au, Сu), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д. Атомы диамагнетиков не имеют собственных магнитных моментов. Во внешнем магнитном поле электронные орбиты совершают прецессионное движение вокруг направления внешнего магнитного поля (подобно тому, как диск волчка прецессирует вокруг вертикальной оси при замедлении движения). Прецессионное движение электронных орбит эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, он создает магнитное поле, направленное против внешнего поля. Такие наведенные поля атомов складываются и создают собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Магнитная проницаемость диамагнетиков не зависит от величины внешнего магнитного поля и температуры.

Вещества, намагничивающееся по направлению внешнего магнитного поля (m >1), называются парамагнетиками. К парамагнетикам относятся вещества, атомы которых имеют собственные магнитные моменты (например, редкоземельные элементы, Pt, Al и т.д.). Магнитное поле стремится установить магнитные моменты атомов вдоль , тепловое движение стремится разбросать их равномерно по всем направлениям. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация магнитных моментов вдоль магнитного поля, тем большая, чем больше В, и тем меньшая, чем выше температура. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков обратно пропорциональна температуре. В парамагнетиках наблюдается и диамагнитный эффект, но он значительно слабее парамагнитного, поэтому остается незаметным.