Механизмы поляризации

Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в молекуле диэлектрика могут совпадать, например, в молекуле водорода, или не совпадать, например, в молекуле воды. В первом случае молекула называется неполярной, во втором — полярной.

Наличие у молекул постоянных дипольных моментов постулировал немецкий физик Дебай. В честь этого ученого названа внесистемная единица дипольного момента «Дебай» 1 Дебай = 3,33·10^-30 Кл·м.

Существуют три основных механизма поляризации: электронный; ионный и ориентационный.

В неполярных молекулах главную роль играет первый из трёх названных механизмов. Простейший пример такой системы — атом водорода.

При усреднённый дипольный электрический момент молекулы , (центр тяжести положительного заряда совпадает с центром тяжести отрицательного).

При заряды перераспределяются, электронные орбиты деформируются, и центры тяжести зарядов смещаются на некоторое расстояние друг от друга. Возникает индуцированный полем электрический момент, пропорциональный напряжённости поля :

, (1)

где — электронная поляризуемость молекулы, — электрическая постоянная, появившаяся здесь из соображений размерности. Вектор поляризации , где N — число молекул в объёме , n ₀ — концентрация молекул (число молекул в единице объёма). С учетом (1) получим: . Безразмерная величина — называется диэлектрической восприимчивостью.

Ионный механизм имеет место в молекулах с ионной связью. Внешнее поле стремится сдвинуть ионы друг относительно друга. Это также приводит к появлению индуцированного полем электрического момента, пропорциональному полю: , где — ионная диэлектрическая восприимчивость. Вектор поляризации в таких диэлектриках складывается из электронной и ионной части: . Для обычных температур не зависят от T.

В диэлектриках с полярными молекулами наблюдается ориентационный механизм поляризации. В отсутствии поля элементарные диполи ориентированы беспорядочно, поэтому диэлектрик, в целом оказывается, не поляризован. При наличии поля возникает преимущественное направление (вдоль поля) и вектор поляризации оказывается отличным от нуля. Опыт свидетельствует, что и в этом случае вектор поляризации пропорционален напряженности поля: . Понятно, что при ориентационном механизме поляризации восприимчивость должна сильно зависеть от температуры, что и наблюдается на опыте. Классическую теорию ориентационной поляризации создал французский физик Ланжевен в начале 20 века. При ориентационном механизме поляризации имеется два конкурирующих фактора: электрическое поле, ориентирующее элементарные диполи — упорядочивающий фактор, и тепловое движение — дезориентирующий фактор. Учет этих факторов дает следующий результат .

Если действуют все три механизма, то , где — диэлектрическая восприимчивость. Измерив экспериментально можно разделить разные компоненты восприимчивости. Такие измерения могут дать ценную информацию о структуре молекул.