§4. Діелектрик в зовнішньому
електричному полі
4.1. Полярні і неполярні молекули
Всі речовини поділяються на провідники, діелектрики (ізолятори) і напівпровідники.
В природі ідеальних діелектриків не існує. Всі речовини в якійсь мірі проводять електричний струм, але діелектрики проводять струм в 1015—1020 раз гірше, ніж провідники.
Якщо діелектрик внести в електричне поле, то це поле і діелектрик набувають істотних змін. Щоб це зрозуміти потрібно врахувати, що в складі атомів і молекул є позитивно заряджені ядра і негативно заряджені електрони. Будь-яка молекула представляє собою систему, в якій сумарний заряд дорівнює нулю. Розміри даної системи малі – порядку декількох ангстрем (10-10 м). Поле, створене подібними системами, характеризується величиною дипольного моменту.
. (4.1)
Сумування відбувається як по електронам, так і по ядрам. Щоправда, електрони в молекулі рухаються таким чином, що даний момент весь час змінюється, але швидкості електрона такі великі, що практично визначається середнє значення даного моменту. Тому надалі під дипольним моментом молекули будемо розуміти для електронів
(4.2)
і для ядер: 
.
Інакше кажучи, будемо вважати, що електрон знаходиться відносно ядер у спокої в деяких точках, отриманих усередненням положень електрона по часу.
Поведінка молекули в зовнішньому електричному полі також визначається її дипольним моментом. В цьому можна пересвідчитись розрахувавши потенціальну енергію молекули в зовнішньому електричному полі.
Виберемо початок координат всередині молекули і скористуємось малим значенням 
. Тоді потенціал в точці, де знаходиться і-тий заряд можна представити
,
де φ – потенціал поля а початку координат.
Тоді, потенціальна енергія визначається як сума:
.
Враховуючи закон збереження зарядів, 
і 
, маємо
.
Якщо продиференціювати вираз по куту, то отримаємо рівняння для обертального моменту. Взявши потім похідну по dx – отримаємо силу.
.
Таким чином, молекула як по відношенню до поля, яке вона створює, так і по відношенню до тих сил, що діють на неї у зовнішньому полі, буде мати еквівалентні диполі. Позитивний заряд даного диполя дорівнює сумарному заряду ядер і розміщений в „центрі тяжіння” позитивних зарядів, а негативний заряд дорівнює сумарному заряду електронів і розміщений в „центрі тяжіння” негативних зарядів.
В симетричних молекулах (H2, O2, N2 і т.д.) у відсутності зовнішнього електричного поля центри тяжіння позитивних і негативних зарядів співпадають. Такі молекули не володіють власним дипольним моментом і називаються неполярними молекулами.
В несиметричних молекулах (CO, NH, HCl) центри тяжіння зарядів різних знаків зміщені один відносно одного і молекули володіють власним дипольним моментом. Такі молекули називаються полярними.
Під дією зовнішнього електричного поля заряди в неполярних молекулах зміщуються один відносно одного – позитивний заряд за напрямком поля, а негативний – проти поля. В результаті молекула набуває дипольного моменту, величина якого пропорційна напруженості поля. В раціоналізованій системі коефіцієнти пропорційності – ε0, β (ε0 – електростатична стала, β – поляризованість молекули).
Враховуючи, що вектори 
і 
колінеарні, можна записати
. (4.3)
Процес поляризації неполярних молекул протікає так, ніби позитивні і негативні заряди зв’язані пружними силами. Тому кажуть, що неполярна молекула веде себе у зовнішньому полі як пружний диполь. Тоді дія зовнішнього поля на полярну молекулу зводиться до того, щоб повернути молекулу так, щоб її дипольний момент встановився за напрямом поля. На величину даного моменту зовнішнє поле практично не діє. Відповідно, полярна молекула веде себе в зовнішньому полі як жорсткий диполь.
Рис.4.1
