Вещества, которые не проводят электрического тока, называются диэлектриками. При не слишком высоких температурах и в условиях, когда диэлектрики не подвержены действию очень сильных электрических полей, в этих веществах, в отличие от проводников, отсутствуют свободные носители электрического тока.
Молекулы диэлектрика электрически нейтральны и содержат равное число положительных и отрицательных зарядов. Тем не менее, молекулы обладают электрическими свойствами. В первом приближении молекулу диэлектрика можно рассматривать как диполь, имеющий дипольный электрический момент:
 

p_e=ql,

 

где q – абсолютная величина суммарного положительного, а также суммарного отрицательного зарядов, расположенных, соответственно, в центрах тяжести этих зарядов;
l – расстояние между центрами, тяжести положительных и отрицательных зарядов.
Диэлектрик называется неполярным (неполярный диэлектрик), если электроны атомов в его молекулах расположены симметрично относительно ядер (H₂, O₂, CCl₄ и др.). В таких молекулах центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают в отсутствие внешнего электрического поля (l = 0) и дипольный момент p_e молекулы равен нулю. Если неполярный диэлектрик помещен во внешнее электрическое поле, то происходит деформация электронных оболочек в атомах (молекулах) и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга. В молекуле (атоме) диэлектрика возникает индуцированный (наведенный) дипольный электрический момент, пропорциональный напряженности Е электрического поля:

p_e=e₀aE,

где a – коэффициент поляризуемости молекулы (атома);
e₀=8.85Ч10^-12 Ф/м – электрическая постоянная в СИ.

 В реальных молекулах полярных диэлектриков помимо поворота осей диполей вдоль поля происходит деформация молекул, и в них создается некоторый индуцированный дипольный момент.
Если полярный диэлектрик не находится во внешнем электрическом поле, то в результате хаотического теплового движения молекул векторы их дипольных моментов ориентированы хаотически. Поэтому в любом физически бесконечно малом объеме DV сумма дипольных моментов всех молекул равна нулю.
В неполярном диэлектрике, не находящемся во внешнем электрическом поле, вообще не могут возникнуть дипольные индуцированные моменты молекул. При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит поляризация диэлектрика, состоящая в том, что в любом элементарном объеме DV возникает суммарный дипольный момент молекул, отличный от нуля. Диэлектрик, который находится в таком состоянии, называется поляризованным. В зависимости от строения молекул (атомов) диэлектрика различается три типа поляризации:
а) ориентационная поляризация в полярных диэлектриках. Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты жестких диполей вдоль направления электрического поля. Этому препятствует хаотическое тепловое движение молекул, стремящееся произвольно «разбросать» диполи. В итоге совместного действия поля и теплового движения возникает преимущественная ориентация дипольных электрических моментов вдоль поля, возрастающая с увеличением напряженности электрического поля и с уменьшением температуры;
б) электронная (деформационная) поляризация в неполярных диэлектриках. Под действием внешнего электрического поля в молекулах диэлектриков этого типа наводятся индуцированные дипольные моменты, направленные вдоль поля. Тепловое движение молекул не оказывает влияния на электронную поляризацию. В газообразных и жидких диэлектриках практически одновременно с ориентационной происходит и электронная поляризация.
в) ионная поляризация в твердых диэлектриках, имеющих ионные кристаллические решетки. Например, NaCl, CsCl и др. Внешнее электрическое поле вызывает смещения всех положительных ионов в направлении напряженности E, а всех отрицательных ионов – в противоположную сторону.
Количественной мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации p_e. Вектором поляризации (поляризованностью) называется отношение электрического дипольного момента малого объема DV диэлектрика к величине этого объема:

где p_ei – электрический дипольный момент i-й молекулы;
N – общее число молекул в объеме DV.

 

Этот объем должен быть настолько малым, чтобы внутри него электрическое поле можно было считать однородным. Одновременно число n молекул в объеме DV должно быть достаточно велико для того, чтобы можно было применять статистические методы исследования.
Для однородного неполярного диэлектрика, находящегося в однородном электрическом поле:

P_e= n₀p_e,

где n₀ – число молекул в единице объема,
p_e – дипольный момент одной молекулы.
Используя формулу для p_e, получим:

P_e=n₀e₀aE=e₀cE,

где величина c= n₀a – есть диэлектрическая восприимчивость вещества.

 

* * *

 

Представим себе, что можно найти “центры тяжести” отрицательных и положительных частей молекулы. Тогда условно все вещества можно разбить на две группы.
Одну группу составляют те, в молекулах которых оба “центра тяжести” совпадают. Такие молекулы называются неполярными. К ним относятся все ковалентные двухатомные молекулы, а также молекулы, состоящие из трех и более атомов, имеющие высокосимметричное строение, например СО₂, СS₂ , СCl₄ , С₆ H₆.
Во вторую группу входят все вещества, у которых “центры тяжести” зарядов в молекуле не совпадают, молекулы которых характеризуются электрической асимметрией. Эти молекулы называют полярными. К ним относятся молекулы вида АВ, в которых элементы А и В имеют различную электроотрицательность, и многие более сложные молекулы. Систему из двух разноименных электрических зарядов, равных по абсолютной величине, называют диполем.
Полярность молекулы (и полярность связи) характеризуется дипольным моментом молекулы (или связи). Величина дипольного момента сильно влияет на свойства полярных молекул и веществ, построенных из таких молекул. Полярные молекулы поляризуются в электрическом поле, устанавливаясь по силовым линиям поля, ориентируются в электических полях, создаваемых ионами в растворах, взаимодействуют между собой, замыкая свои электрические поля. Дипольный момент образуется за счет смещения центров положительного и отрицательного зарядов на некоторую величину l, называемую длиной диполя.
Принимаем e равным заряду электрона(1,6021*10 – 9 Кл) и тогда получаем приведенную длину диполя l, которая является условной величиной. В качестве единицы измерения дипольных моментов принят Дебай (названный в честь голландского физика П.Дебая, разработавшего теорию полярных молекул) в системе СИ 1D=0,33*10-29Кл*м.
Энергия электрического поля в конденсаторе U выражается соотношением:

U=1/2cV2,

где V – напряжение на обкладках конденсатора.
Из приведенного уравнения видно, что конденсатор в среде вещества имеет больший запас энергии, чем в вакууме (с>1). Это обусловлено тем, что под действием электрического поля происходит поляризация среды – ориентация диполей и деформация молекул. Первый эффект зависит от температуры, второй – не зависит.
Не следует путать дипольный момент связи и дипольный момент молекулы, так как в молекуле могут существовать несколько связей, дипольные моменты которых суммируются как векторы. Кроме того, на величину дипольного момента молекулы могут влиять магнитные поля орбиталей, содержащих электронную пару, − "неподеленные"электроны. Большое влияние на полярность молекулы оказывает ее симметрия.
Полярность молекул определяется довольно сложно, так как она учитывает все взаимодействия, которые могут возникнуть в такой сложной
структуре, как молекула. Кроме того, ”полярность” молекулы не определяется лишь величиной дипольного момента, а зависит также от размеров и конфигурации молекул. Например, молекула воды более резко проявляет свои полярные свойства (образование гидратов, растворимость и т.д.), чем молекула этилового спирта, хотя дипольные моменты у них почти одинаковые.

Дипольный момент полярной молекулы может изменять свою величину под действием внешних электрических полей, а также под действием электрических полей других полярных молекул, однако при удалении внешних воздействий дипольный момент принимает прежнюю величину. Некоторые молекулы, неполярные в обычных условиях, могут получать так называемый индуцированный или “наведенный” дипольный момент, тоже исчезающий при снятии поля.
Физико – химические особенности полярных молекул определяются их способностью реагировать на внешние электрические поля (электрическая поляризация) и на поля, созданные другими полярными молекулами. В частности, за счет взаимодействия с полярными молекулами воды такие полярные молекулы, как HF, HCl и др, могут подвергаться электролитической диссоциации.

 

Поляризация широко используется в технике. Например, поляризационные призмы незаменимы при работе в УФ области спектра и в мощных потоках оптического излучения и позволяет получать однородно поляризованные пучки, степень поляризации которых лишь на 10^-5 отличается от 1.
Приборы для поляризационно-оптических исследований отличает чрезвычайное разнообразие сфер применения, конструктивного оформления и принципов действия. Их используют для фотометрических и пирометрических измерений, кристаллооптических исследований, изучения механических напряжений в конструкциях, в микроскопии, в поляриметрии и сахариметрии, в скоростной фото- и киносъемке, геодезических устройствах, в системах оптической локации и оптической связи, в схемах управления лазеров, для физических исследований электронной структуры атомов, молекул и твердых тел и многое другое.