Понятие о механизмах поляризации диэлектриков

Прежде всего, договоримся, что в дальнейшем мы будем говорить лишь о газообразных и жидких (или твёрдых, но аморфных) непроводящих средах, т.е. об однородных и изотропных диэлектриках. Такие вещества могут состоять как из «полярных», так и из «неполярных» молекул. В различных диэлектриках механизмы поляризации также различны.

1. Ориентационная (дипольная) поляризация

Такой механизм характерен для среды, молекулы которой обладают дипольным моментом и в отсутствии внешнего электрического поля, т.е. «полярные». Например, это молекулы H₂O, HCl, NH₃, … В отсутствии поля ориентация т.н. «жёстких» диполей случайна вследствие хаотичности теплового движения. Однако, электрическое поле, как мы знаем (см. п. 5.1), оказывает на элементарные диполи ориентирующее воздействие – появляется некоторая преимущественная ориентация в направлении электрического поля (см. рис. 5.5)! В результате средний дипольный момент единицы объёма вещества оказывается отличным от нуля. Опыт показывает, что он пропорционален напряжённости электрического поля, действующего на молекулы.

v Замечание

Расчёты по законам статистической физики позволяют установить и точное количественное соотношение:

*). (5.6)

Такой результат качественно понятен и без расчётов. Ведь, чем больше напряжённость поля, тем больше, очевидно, и его ориентирующее воздействие – т.е. ориентация диполей вдоль вектора . С другой стороны нетрудно понять и то, что коэффициент поляризующего действия тем меньше, чем выше температура – т.е. разупорядочение, хаос теплового движения!

2. Электронная поляризация (поляризация смещения)

Вещество может состоять и из неполярных молекул, например, Ar, H₂, N₂, O₂, CCl₄, … . В отсутствии внешнего электрического поля у таких молекул отсутствует дипольный момент. Он появляется лишь под действием поля, благодаря смещению электронной плотности в молекулах вдоль поля. Обычно величина такого смещения в не слишком больших полях (< 10⁹В/м) не превышает 1 нм и оказывается пропорциональна величине напряжённости этого поля (l ~ E – аналогично «удлинению» пружины в случае выполнения закона Гука). Отсюда ещё один термин для данного типа поляризации – «упругая» поляризация. «Наведённые» дипольные моменты молекул малы, но зато строго параллельны напряжённости внешнего поля || у всех молекул:

, (5.7)

Коэффициент a в этом соотношении называется поляризуемостью молекулы, e₀– как и ранее, электрическая постоянная.Поляризуемость молекулы не зависит от напряжённости поля и не зависит от температуры!