Діелектрик, вміщений у зовнішнє електричне поле, поляризується під дією цього поля. Поляризацією діелектрика називається процес придбання ним відмінного від нуля макроскопічного дипольного моменту.
Ступінь поляризації діелектрика характеризується векторною величиною, яка називається поляризований або вектором поляризації (P). Поляризованность визначається як електричний момент одиниці об'єму діелектрика
,
де N - число молекул в об'ємі. Поляризованность P часто називають поляризацією, розуміючи під цим кількісну міру цього процесу.
У діелектриках розрізняють наступні типи поляризації: електронну, орієнтаційну та граткову (для іонних кристалів).
Електронний тип поляризації характерний для діелектриків з неполярними молекулами. У зовнішньому електричному полі (рис. 2.1) позитивні заряди всередині молекули зміщуються у напрямку поля, а негативні в протилежному напрямку, в результаті чого молекули набувають дипольний момент, спрямований уздовж зовнішнього поля
Індукований дипольний момент молекули пропорційний напруженості зовнішнього електричного поля. де - поляризованість молекули. Значення поляризованности в цьому випадку дорівнює. де n - концентрація молекул; - індукований дипольний момент молекули, який однаковий для всіх молекул і напрямок якого збігається з напрямком зовнішнього поля.
Оріентаціоннний тип поляризації характерний для полярних діелектриків. Під час відсутності зовнішнього електричного поля молекулярні диполі орієнтовані випадковим чином, так що макроскопічний електричний момент діелектрика дорівнює нулю.
Якщо помістити такий діелектрик у зовнішнє електричне поле, то на молекулу-диполь буде діяти момент сил (рис. 2.2), який прагне орієнтувати її дипольний момент в напрямку напруженості поля. Однак повної орієнтації не відбувається, оскільки тепловий рух прагне зруйнувати дію зовнішнього електричного поля.
Така поляризація називається орієнтаційної. Поляризованность в цьому випадку дорівнює. де
- середнє значення складової дипольного моменту молекули в напрямку зовнішнього поля.
Гратковий тип поляризації характерний для іонних кристалів. В іонних кристалах (NaCl і т.д.) під час відсутності зовнішнього поля дипольний момент кожної елементарної комірки дорівнює нулю (рис. 2.3.а), під впливом зовнішнього електричного поля позитивні і негативні іони зміщуються в протилежні сторони (рис. 2.3.б) . Кожна осередок кристала стає диполем, кристал поляризується. Така поляризація називається решеточной. Поляризованность і в цьому випадку можна визначити як. де - значення дипольного моменту елементарної комірки, n - число осередків в одиниці об'єму.
Поляризованность ізотропних діелектриків будь-якого типу пов'язана з напруженістю поля співвідношенням. де - діелектрична сприйнятливість діелектрика.
З досвіду відомо, що для великого класу діелектриків (за винятком сегнетоелектриків, див. Далі) поляризованность Р залежить від напруженості поля Е лінійно. Якщо діелектрик ізотропний і Е чисельно не надто велике, то
де # 952; - діелектрична сприйнятливість речовини. вона характеризує властивості діелектрика; # 952; - безрозмірна величина; притому завжди # 952;> 0 і для більшості діелектриків (рідких і твердих) становить кілька одиниць (але, наприклад, для спирту # 952; ≈25, для води # 952; ≈80).
Для визначення кількісних закономірностей електричного поля в діелектрику помістимо в однорідне зовнішнє електричне поле Е0 (наприклад, між двома нескінченними паралельними різнойменно зарядженими площинами) пластинку з однорідного діелектрика, розташувавши її, згідно рис. 1. Під дією поля діелектрик поляризується, т. Е. Здійснюється зсув зарядів: позитивні зміщуються у напрямку поля, негативні - проти напрямку поля. В результаті, на правій грані діелектрика, який звернений до негативної площині, буде надлишок позитивного заряду з поверхневою щільністю + # 963; ', на лівій грані - негативного заряду з поверхневою щільністю - # 963;'. Ці нескомпенсовані заряди, які з'являються в результаті поляризації діелектрика, називаються пов'язаними. Оскільки їх поверхнева щільність # 963; ' менше щільності # 963; вільних зарядів площин, то не всі поле Е компенсується полем зарядів діелектрика: частина ліній напруженості проходить крізь діелектрик, інша ж частина - зупиняється на пов'язаних зарядах. Значить, поляризація діелектрика викликає зменшення в ньому поля порівняно з початковим зовнішнім полем. Поза діелектрика Е = Е0.
рис.1
Значить, виникнення пов'язаних зарядів призводить до появи додаткового електричного поля Е '(поля, яке створюється пов'язаними зарядами), направленого проти зовнішнього поля Е0 (поля, яке створюється вільними зарядами) і послаблює його. Результуюче поле всередині діелектрика
Поле Е '= # 963;' / # 949; 0 (поле, створене двома нескінченними зарядженими площинами), значить
(3)
Знайдемо поверхневу щільність зв'язаних зарядів # 963; '. Згідно (1), повний дипольний момент пластинки діелектрика pV = PV = PSd, де d - товщина пластинки, S - площа її межі. З іншого боку, повний дипольний момент, дорівнює добутку пов'язаного заряду кожної грані Q '= # 963;' S на відстань d між ними, т. Е. Рv = # 963; 'Sd. Значить, PSd = # 963; 'Sd, або
(4)
т. е. поверхнева щільність зв'язаних зарядів # 963; ' дорівнює поляризованности Р. Підставивши в формулу (3) вираження (4) і (2), отримаємо
звідки напруженість результуючого поля всередині діелектрика дорівнює
(5)
безрозмірна величина
(6)
називається діелектричною проникністю середовища. Порівнюючи (5) і (6), можемо зробити висновок, що # 949; показує, у скільки разів поле послаблюється діелектриком, і характеризує кількісно властивість діелектрика поляризуватися в електричному полі.