Dacă un dielectric este introdus într-un câmp electric, atunci acest câmp și dielectricul însuși suferă modificări substanțiale.
O polarizare a unui dielectric este deplasarea încărcăturilor electrice în el sub acțiunea unui câmp electric extern, ca urmare a faptului că volumul dobândește un moment dipol total. Mărimea momentului dipol dobândit este proporțională cu câmpul electric care acționează în acest dielectric (așa-numitul câmp electric macroscopic
În plus, ca rezultat al deplasării încărcărilor într-un strat subțire adiacent la suprafața dielectricului, apar încărcături necompensate, numite încărcături legate sau încărcări de polarizare a suprafeței. În cazul suprafețelor care apar linii de forță și cele pozitive pe suprafața de ieșire a forțelor (Figura 3), apar suprafețe de legare negativă. Debiturile legate diferă prin faptul că nu pot fi separate de dielectric, deoarece fac parte din moleculele sale.
Fig. 3. Dielectric într-un câmp electric extern
Valoarea cantitativă care caracterizează gradul de polarizare a dielectricului este vectorul de polarizare (sau polarizarea), definit ca
unde ΔV este volumul dielectricului, N este numărul de molecule din acest volum,
Polarizarea electronică, orientare și ionică.
Sub acțiunea unui câmp macroscopic
Figura 4. Polarizarea moleculelor nepolare
Momentul dipol al moleculei devine nonzero. Obținerea de către moleculă a unui moment dipol proporțional cu magnitudinea câmpului electric care acționează asupra acestuia, ca rezultat al deplasării electronilor, se numește polarizare electronică. Atât deplasarea electronilor, cât și magnitudinea momentului dipol indus în moleculă sunt proporționale cu câmpul electric macroscopic:
unde ae este polarizabilitatea electronilor moleculei. Dimensiunea ae este m 3.
Polarizarea electronică are loc pentru toate moleculele, iar în moleculele nepolare aceasta este singura formă de polarizare.
Ecuația (6) înseamnă că momentul dipolului indus p este proporțional cu magnitudinea câmpului macroscopic care acționează asupra moleculei și, prin urmare, p este proporțional cu forța care acționează asupra încărcărilor. În acest sens, molecula nepolară este similară cu un izvor, a cărui alungire este proporțională cu forța. Prin urmare, polarizarea electronilor este denumită uneori elastică.
Vectorul de polarizare și câmpul macroscopic sunt legate de relația:
unde æ este susceptibilitatea dielectrică. Aceasta este o cantitate pozitivă fără dimensiuni care nu depinde de puterea câmpului electric pentru majoritatea dielectricilor. Sensibilitatea dielectrică este legată de permitivitatea dielectrică relativă a substanței ε după cum urmează:
În cazul în care
unde n este concentrația moleculelor (numărul lor pe unitate de volum). Luând în considerare (7), obținem:
Mișcarea termică a moleculelor nu are efect asupra mișcării electronilor în interiorul moleculelor sau atomilor, prin urmare, ae nu depinde de temperatură. În consecință, pentru moleculele nepolare, æ și ε nu depind de temperatură.
După cum sa menționat mai sus, momentul dipolului total al dielectricilor polari în absența unui câmp extern este zero. Sub acțiunea mișcării termice, momentele dipol ale moleculelor sunt împrăștiate uniform în toate direcțiile din spațiu (Figura 5 (a)). Printr-un transfer paralel, în care suma vectorilor nu se modifică, dispunerea dipolilor moleculari poate fi reprezentată așa cum se arată în Fig. 5 (b). Acțiune pe teren
Fig. 5. Polarizarea moleculelor polar
Cu toate acestea, acțiunea de orientare a câmpului macroscopic este contracarată de mișcarea termică, care tinde să distribuie uniform momentele dipol ale moleculelor în toate direcțiile. Ca urmare a vectorului momentelor dipolice, moleculele se rotesc doar printr-un unghi mic (valoarea absolută a unghiului dintre vectori
Orientarea moleculelor de dielectrici polari sub acțiunea unui câmp electric, ca urmare a faptului că volumul dielectricilor dobândește un moment dipol proporțional cu câmpul, se numește polarizare orientare (polarizabilitate). Pe măsură ce crește temperatura, efectul dezorientant al mișcării termice crește, prin urmare, pentru un mecanism de polarizare dat, æ și ε scad cu creșterea temperaturii.
Calculul, realizat mai întâi de către Debye și Langevin, a arătat că pentru egalitatea dielectrică polară (7) este de asemenea îndeplinită, iar modulele vectoriale
unde po este modulul momentului dipol al moleculei, k = 1,38 · 10 -23 J / K este constanta Boltzmann, iar T este temperatura pe scara Kelvin. Din (11) rezultă că
Polarizabilitatea orientării pe o moleculă este egală cu raportul æ
Deoarece câmpul electric practic nu modifică modulul vectorului
În dielectrici polari, polarizarea electronilor are loc întotdeauna, iar polarizabilitatea rezultantă este egală cu suma ae și aor.
În cristalele ionice, sub influența unui câmp electric, sublaturile ionilor pozitivi și negativi sunt deplasați în direcții opuse (Figura 6). Ca rezultat, centrele de greutate ale ionilor pozitivi și negativi se schimbă în direcții opuse, iar magnitudinea deplasării și, în consecință, magnitudinea momentului dipol dobândit, sunt proporționale cu câmpul electric din cristal. În acest caz vorbim despre polarizarea ionilor (sau polarizabilitatea). Formula (7) este valabilă și în acest caz. Polarizarea poloneză, împreună cu polarizarea electronilor, apare și în unele molecule cu o fracțiune de legătură ionică (electronii din astfel de molecule sunt distribuiți astfel încât ionii individuali pot fi separați).
Fig. 6. Polarizarea cristalelor ionice