Поляризация диэлектриков. 
Электромагнетизм и волны

Все вещества состоят из нейтральных атомов или молекул. И в атоме, и в молекуле поровну отрицательно заряженных частиц (электронов) и положительно заряженных ядер. В тех веществах, которые образуют металлические кристаллы, от каждого атома (или молекулы) отрываются по 1−2 электрона, атомы становятся ионами, образуя кристаллическую решетку, а электроны свободно перемещаются по всему кристаллу. Эти электроны называют свободными зарядами. Такие вещества называют металлическими проводниками, они хорошо проводят электрический ток. Существуют также жидкие проводники, но мы их рассматривать не будем. Другие твердые вещества образуются из нейтральных молекул, они практически не проводят электрический ток и их называют диэлектриками (а в электротехнике — изоляторами). Молекулы, особенно многоатомные, имеют сложное строение: ядра атомов в данной молекуле колеблются на определенных равновесных расстояниях друг от друга, вокруг них движется большая часть «своих» электронов, а часть электронов становятся «общими», и движутся вокруг всех ядер данной молекулы. Эти общие электроны как-бы цементируют атомы, и образуется молекула. Все виды молекул, из которых состоят диэлектрики, можно отнести к двум типам: полярные молекулы и неполярные молекулы. У неполярных молекул центры тяжести отрицательных и положительных зарядов совпадают. У полярных эти центры смещены относительно друг друга, и полярная молекула представляет собой диполь. Примером полярной молекулы является молекула воды (см. рис. 15).

электрический заряд проводник конденсатор

Рис. 15.

Если диэлектрик внести во внешнее электрическое поле, на его поверхностях появляются заряды. Это явление называется поляризацией диэлектриков, а сами заряды называются связанными, так как они могут смещаться только в пределах самой молекулы. При снятии внешнего поля поляризация практически мгновенно исчезает. В зависимости от того, из какого типа молекул состоит диэлектрик различают следующие типы поляризации.

Деформационная (электронная) поляризация наблюдается для веществ с неполярными молекулами. При внесении такого диэлектрика во внешнее электрическое поле, его молекулы растягиваются и образуют диполь с дипольным моментом р_эл. При не очень сильных внешних полях р_эл оказывается пропорциональным напряженности поля Е: р_эл Е и можно записать.

Индуцированный дипольный момент одной молекулы неполярного диэлектрика.

— коэффициент поляризуемости (поляризуемость) молекулы Примерами веществ, для которых наблюдается деформационная поляризация, являются: водород Н₂, парафин, ССl₄ и др.

2) Ориентационная (дипольная) поляризация наблюдается для веществ с полярными молекулами. На рис. 16 полярные молекулы символически показаны в виде диполей. При отсутствии внешнего поля молекулы ориентированы хаотически. Во внешнем поле молекулы-диполи стремятся ориентироваться по полю, но им «мешает» тепловое движение, поэтому строгой ориентации не происходит, но тем не менее на поверхностях диэлектрика появляются связанные заряды с поверхностной плотностью _связ. Средний дипольный момент молекул р из-за влияния теплового движения оказывается не равным собственному дипольному моменту молекулы р₀. Для не очень сильных внешних полей расчеты дают формулу:

Рис. 16.

Средний дипольный момент одной полярной молекулы во внешнем электрическом поле.

р₀ -собственный дипольный момент молекулы К веществам с полярными молекулами относятся вода, HCl, NH₃, CO и др.

3) Существует еще один тип поляризации диэлектриков — ионная поляризация. Например, кристалл NaCl представляет собой вдвинутые друг в друга решетки из положительных и отрицательных ионов. Под воздействием внешнего электрического поля происходит смещение одной кристаллической решетки относительно другой. Мы не будем подробно рассматривать этот тип поляризации.