Якщо діелектрик внести в електричне поле, то і це поле, і сам діелектрик, зазнають суттєвих змін.
П про л я р і з а ц і е й діелектрика називають зміщення в ньому електричних зарядів під дією зовнішнього електричного поля, в результаті чого обсяг набуває сумарний дипольний момент. Величина придбаного дипольного моменту пропорційна електричному полю, чинному в цьому діелектрику (так званому макроскопическому електричного поля
Крім того, в результаті зсуву зарядів в тонкому шарі, що прилягає до поверхні діелектрика, з'являються некомпенсовані заряди, звані пов'язаними зарядами або поверхневими поляризаційними зарядами. Негативні пов'язані заряди з'являються на поверхні, в яку входять силові лінії, а позитивні - на поверхні, з якої силові лінії виходять (рис. 3). Пов'язані заряди відрізняються тим, що їх неможливо відокремити від діелектрика, так як вони входять до складу його молекул.
Мал. 3. Діелектрик в зовнішньому електричному полі
Кількісної величиною, що характеризує ступінь поляризації діелектрика, є вектор поляризації (або поляризованности), який визначається як
де ΔV - об'єм діелектрика, N - число молекул в цьому обсязі,
Електронна, орієнтаційна та іонна поляризація.
Під дією макроскопічного поля
Рис 4. Поляризація неполярних молекул
Дипольний момент молекули стає відмінним від нуля. Придбання молекулою дипольного моменту, пропорційного величині діючого на неї електричного поля, в результаті зсуву електронів, називають електронною поляризацією. Як зміщення електронів, так і величина индуцируемого в молекулі дипольного моменту, пропорційні макроскопическому електричного поля:
де αе - електронна поляризованість молекули. Розмірність αе дорівнює м 3.
Електронна поляризація має місце для всіх молекул, а в неполярних молекулах це єдиний вид поляризації.
Рівність (6) означає, що індукований дипольний момент р пропорційний величині макроскопічного поля, що діє на молекулу, а, значить, р пропорційний силі, що діє на заряди. В цьому відношенні неполярная молекула схожа з пружиною, подовження якої пропорційно силі. Тому електронну поляризацію іноді називають пружною.
Вектор поляризації і макроскопічне поле пов'язані співвідношенням:
де æ - діелектрична сприйнятливість. Це безрозмірна позитивна величина, яка не залежить для більшості діелектриків від величини напруженості електричного поля. Діелектрична сприйнятливість пов'язана з відносною діелектричною проникністю речовини ε наступним чином:
якщо
де n - концентрація молекул (число їх в одиниці об'єму). З урахуванням (7) ми отримаємо:
Тепловий рух молекул не робить ніякого впливу на рух електронів усередині молекул або атомів, тому αе не залежить від температури. Відповідно, для неполярних молекул æ і ε не залежить від температури.
Як зазначалося вище, сумарний дипольний момент полярних діелектриків при відсутності зовнішнього поля дорівнює нулю. Під дією теплового руху дипольні моменти молекул розкидаються рівномірно в усіх напрямках в просторі (рис. 5 (а)). Шляхом паралельного перенесення, при якому сума векторів не змінюється, розташування молекулярних диполів можна змалювати таку картину, як це зображено на рис. 5 (б). дія поля
Мал. 5. Поляризація полярних молекул
Однак орієнтиром дії макроскопічного поля протидіє тепловий рух, що прагне розподілити дипольні моменти молекул в усіх напрямках рівномірно. В результаті вектора дипольних моментів молекул лише повертаються на невеликий кут (абсолютна величина кута між векторами
Орієнтація молекул полярних діелектриків під дією електричного поля, в результаті якої обсяг діелектриків набуває дипольний момент, пропорційний полю, називається орієнтаційної поляризацією (поляризуемостью). З ростом температури підсилюється разоріентірующее дію теплового руху, тому при даному механізмі поляризації æ і ε зменшуються з ростом температури.
Розрахунок, вперше проведений Дебаєм і Ланжевеном, показав, що і для полярних діелектриків виконується рівність (7), причому модулі векторів
де ро - модуль дипольного моменту молекули, к = 1,38 · 10 -23 Дж / К - постійна Больцмана, Т - температура за шкалою Кельвіна. З (11) випливає, що
Орієнтаційна поляризованість, яка припадає на одну молекулу, дорівнює відношенню æ
Так як електричне поле практично не змінює модуль вектора
У полярних діелектриках завжди має місце також і електронна поляризація, і результуюча поляризованість дорівнює сумі αе і αоr.
В іонних кристалах під дією електричного поля підґратки позитивних і негативних іонів зміщуються в протилежних напрямках (рис. 6). В результаті в протилежних напрямках зміщуються і центри ваги позитивних і негативних іонів, причому величина зсуву, а, отже, і величина придбаного дипольного моменту, пропорційні напруженості електричного поля в кристалі. В даному випадку говорять про іонної поляризації (або поляризованого). Формула (7) справедлива і в цьому випадку. Іонна поляризація, поряд з електронної, має місце і в деяких молекулах з іонної доллю зв'язку (електрони в таких молекулах розподілені так, що можна виділити окремі іони).
Мал. 6. Поляризація іонних кристалів