Вещество в электромагнитном поле и томография

4. Молекулы с постоянным дипольным моментом. Ориентационная поляризация Если молекула обладает собственным электрическим дипольным моментом $\mathbf{p} = \sum_i q_i \mathbf{r}_i$ (пример — молекула воды H$_2$O: электроны смещены к атому кислорода, водороды заряжены положительно), то в отсутствие поля тепловое движение хаотически ориентирует диполи и среднее поле равно нулю. При включении внешнего поля $E_0$ дипольный момент приобретает потенциальную энергию взаимодействия: $$ U = -\mathbf{p}\cdot\mathbf{E}_0. $$ По распределению Больцмана ориентации с меньшей энергией заселяются чаще: $$ \frac{n_1}{n_2} = \exp\!\left(-\frac{U_1 - U_2}{kT}\right). $$ В результате диполи ориентируются преимущественно по полю, создавая суммарный момент, направленный против внешнего поля. Это ориентационная поляризация . Для воды при низких частотах $\varepsilon = 81$. 5. Сегнетоэлектрики При достаточно низких температурах взаимодействие между соседними диполями приводит к их спонтанной синхронизации в областях — доменах . В отсутствие поля домены ориентированы произвольно, суммарная поляризация равна нулю. При включении внешнего поля домены, взаимодействие которых с полем отрицательно по энергии, увеличиваются в объёме; остальные уменьшаются. Вещество приобретает макроскопическую поляризацию. Такие вещества называются сегнетоэлектриками . 6. Вещество в магнитном поле Диамагнетики. Если атомы или молекулы не имеют собственных магнитных моментов, то при появлении внешнего магнитного поля $\mathbf{B}$ в электронных орбитальных контурах индуцируется ЭДС (по закону Фарадея). По правилу Ленца возникающие токи создают поле, направленное против внешнего. Вещество ослабляет магнитное поле — диамагнетизм . Диамагнетик, помещённый в неоднородное поле, выталкивается в область более слабого поля (левитация над магнитом). Парамагнетики. Если атомы или молекулы имеют собственные магнитные дипольные моменты, то при высоких температурах они ориентированы хаотически. Внешнее поле частично упорядочивает их (по аналогии с электрической ориентационной поляризацией), и суммарный момент направлен по полю. Вещество усиливает магнитное поле — парамагнетизм . Пример парамагнетика: жидкий кислород. Молекулы O$_2$ имеют собственный магнитный дипольный момент. При охлаждении жидким азотом (T $\approx 77$ К) кислород конденсируется между полюсами магнита, образуя голубоватую жидкость, удерживаемую магнитным полем. Ферромагнетики. При достаточно низких температурах взаимодействие между соседними магнитными дипольными моментами приводит к их синхронной ориентации в пределах доменов . Механизм тот же, что у сегнетоэлектриков. При включении внешнего поля домены с выгодной ориентацией растут, и вещество намагничивается. Коэффициент усиления магнитного поля обозначается $\mu$; для железа $\mu \sim 3000–5000$. Ферромагнетики используются в трансформаторах и дросселях. При нагреве выше температуры Кюри тепловая энергия $kT$ превышает энергию взаимодействия соседних диполей, синхронизация разрушается, и вещество переходит в парамагнитное состояние. Антиферромагнетики — соседние дипольные моменты ориентированы антипараллельно и равны по величине; суммарный магнитный момент равен нулю. Ферриты — диэлектрические материалы с магнитными свойствами (аналог сегнетоэлектриков). В отличие от железа не проводят электрический ток, поэтому сохраняют высокий $\mu$ на высоких частотах (до МГц) и применяются в высокочастотных сердечниках катушек. Зависимость $\varepsilon$ от частоты. Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты изменения поля. Для воды: $$ \varepsilon \approx 81 \quad (при частотах