Тема 12. Электрические и магнитные свойства вещества

Диэлектрикаминазываются вещества, которые при обычных условиях практически не проводят электрический ток. Различаются три типа диэлектриков. 1) Неполярный диэлектрик с симметричными молекулами, которые в отсутствии внешнего поля имеют нулевой дипольный момент (например N₂, H₂, O₂). 2) Полярный диэлектрик с асимметричными молекулами, которые в отсутствии внешнего поля имеют ненулевой дипольный момент (например NH₃, H₂О, SO₂). 3) Ионные диэлектрики (например NaCl, KCl).Внесение диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика. График зависимости поляризованности Р диэлектрика от напряженности внешнего электрического поля Е.

Сегнетоэлектриками называются кристаллические диэлектрики, у которых в отсутствие внешнего электрического поля возникает самопроизвольная ориентация дипольных электрических моментов составляющих его частиц. (например сегнетова соль NaKC₄H₄·4H₂О). Температура, выше которой исчезают сегнетоэлектрические свойства – точка Кюри. Для сегнетоэлектриков связь между векторами Е и Р нелинейная и наблюдается явление диэлектрического гистерезиса – сохранения остаточной поляризованности при снятии внешнего поля.

Магнитная проницаемость среды – физическая величина, показывающая, во сколько раз, индукция магнитного поля в однородной среде отличается от магнитной индукции внешнего поля в вакууме:

.

Разная магнитная восприимчивость веществ определяет различие их магнитных свойств. Существует три основных класса веществ с резко отличающимися магнитными свойствами: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетик – вещество, у которого вектор индукции собственного магнитного поля, направленный противоположно вектору магнитной индукции внешнего поля  и значительно меньше его по модулю. Для диамагнетика χ < 0, при этом ǀχǀ≈ 1. Диамагнетиками являются многие газы (водород, гелий, азот и т.д.), плазма, металлы, стекло, вода, соль, резина, дерево, и т.д. Магнитное поле в диамагнетике слегка ослабляется, так что μ < 1. Например для золота μ = 0,999961.

Парамагнетик - вещество, у которого вектор индукции собственного магнитного поля, сонаправлен с вектором магнитной индукции внешнего поля, меньше его по модулю:

для диамагнетика χ > 0, при этом ǀχǀ ≈ 1. Парамагнетиками являются кислород, алюминий, платина, уран, щелочные и щелочноземельные металлы. Магнитное поле в парамагнетике незначительно усиливается по сравнению с приложенным к нему внешним магнитным полем, так что μ > 1. Например, для платины μ = 1,00025.

Ферромагнетик – вещество, у которого вектор индукции соб­ст­вен­но­го магнитного поля, сонаправленный с вектором магнитной индукции внешнего поля, значительно превышает его по модулю: для ферромагнетика χ > 0. Ферромагнетиками являются железо, кобальт, никель, их сплавы, редкоземельные элементы.

Для ферромагнетиков во внешнем магнитном поле характерно явление магнитного гистерезиса.

Остаточная намагниченность – собственная магнитная индукция в ферромагнетике в отсутствие внешнего магнитного поля. Коэрцитивной силой называется значение напряженности магнитного поля обратного направления, при котором величина индукции поля В обращается в нуль. Коэрцитивная (задерживающая) сила – магнитная индукция внешнего поля, необходимая для размагничивания образца. Форма петли – важнейшая характеристика ферромагнетика. Чем шире петля, тем труднее размагнитить образец. Исчезновение ферромагнитных свойств вещества вследствие нарушения ориентации доменов может происходить при механическом воздействии (удар) или повышение температуры. Беспорядочное тепловое движение атомов становиться столь значительным, что упорядоченная доменная структура ферромагнетика разрушается: материал становится парамагнетиком. Температура, при которой ферромагнетик становится парамагнетиком называется температурой Кюри.

Пример 12.1.При внесении неполярного диэлектрика в электрическое поле

ð электрическое поле внутри диэлектрика усилится

ð собственные дипольные моменты молекул будут ориентироваться в направлении линий напряженности электрического поля

R у молекул диэлектрика появятся индуцированные дипольные моменты, ориентированные по направлению линий напряженности электрического поля

ð электрическое поле внутри диэлектрика не изменится

Пример 12.2.На рисунке представлены графики, отражающие характер зависимости поляризованностиР диэлектрика от напряженности внешнего электрического поля Е.

Решение:При внесении полярного диэлектрика во внешнее электрическое поле наблюдается ориентационная поляризация: внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты полярных молекул по направлению вектора напряженности поля. При этом поляризованность полярного диэлектрика увеличивается в электрическом поле, но значительно меньше чем в сегнетоэлектрике.

Ответ 3.

Пример 12.3. На рисунке приведена петля гистерезиса (В – индукция, Н – напряженность магнитного поля). Остаточной индукции на графике соответствует отрезок:   

ð МА   ð ОА    R ОС   ð МО

Пример 12.4.Температура Кюри для никеля составляет 358°С. При температуре 600 К никель является:

ðферроэлектриком ð ферромагнетиком 

ð диамагнетиком  R парамагнетиком