В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов. Связанные заряды создают электрическое поле которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля.

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (H₂S, NO₂ и другие.).

При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей ориентированы хаотично из-за теплового движения, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю.

При внесении диэлектрика во внешнее поле возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются некомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле направленное навстречу внешнему полю (рис.1).

Приведём вывод для величины ориентационной поляризуемости, исходящий из шести равновероятных при отсутствии электрического поля ориентаций. Если принять, направление напряженности электрического поля соответствует оси Z, то ориентации будут такими: + Z; - Z; +Y; -Y; +X; -X. Заметим, что кроме первых двух ориентаций все другие имеют cosθ=0 и, соответственно, U=0, а также не дают вклада в суммарных индуцированный момент объёма. Поэтому при подсчёте последней величины учтем лишь ориентации по полю и против поля.

Для молекул, дипольные моменты которых ориентированы по полю (θ=0), U=-μF. Для молекул, ориентированных против поля (θ=π), U=μF.

В электрическом поле в соответствии с распределением Больцмана изменяется концентрация молекул, дипольные моменты которых ориентированы по полю (n₊) и против поля (n_-). Они определяются выражениями:

n₊ = Ne^μF/кТ/6,

n_-= Ne^-μF/кТ/6,

где N – общее число молекул, к – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

В случае μF«kT (потенциальная энергия взаимодействия диполя с полем много меньше энергии теплового движения молекул) экспоненциальные функции можно разложить в ряд Мак-Лоренца, ограничиваясь только двумя первыми членами разложения:

n₊ = N(1+μF/кТ)/6,

n_-= N(1-μF/кТ)/6.

Внешнее поле изменяет число диполей, ориентированных в различных направлениях. Числа молекул, диполи которых ориентированы вдоль направления внешнего поля и в противоположном направлении, различны.

Избыточная концентрация молекул, ориентированных вдоль электрического поля

Тогда поляризованности диэлектрика

или Р=Nμ²F/3kT.

Эффективный (средний по ориентации) дипольный момент, приходящийся на одну молекулу диэлектрика,

<μ>=Р/N= μ²F/3kT.

Молекулу полярного диэлектрика можно характеризовать ориентационной поляризуемостью α_о, которая определяется следующим образом:

<μ>=α_оε_оF.

Поскольку

Р=Nα_оF,

тогда

α_о= μ²/3kT.

 

Диэлектриками с ориентационной или, иначе, дипольной поляризуемостью являются, например, многие сегнетоэлектрики.

Сегнетоэлектрики - твёрдотельные диэлектрики, имеющие в определённом интервале температур собственный электрический дипольный момент - который может быть изменён за счёт приложения внешнего электрического поля. Наличие явления гистерезиса по отношению к электрическому дипольному моменту дало второе название данных веществ - ферроэлектрики, по аналогии с ферромагнетиками.

Отличительными чертами сегнетоэлектриков являются также высокие значения диэлектрической проницаемости, наличие пьезоэлектрического эффекта и зависимость показателя преломления от величины приложенного электрического поля. Эти свойства определяют область применения сегнетоэлектриков - в пьезоэлектрических приборах, различных типах конденсаторов (например, малогабаритных с большой удельной ёмкостью), электрооптических системах, различных температурных датчиках (на основе пироэлектриков), в счётно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти, также антисегнетоисточники используют для модуляции и преобразования лазерного излучения. Они интересны простотой технологии, невысокой стоимостью, возможностью изготовления образцов практически любой геометрии.

Микроскопической причиной сегнетоэлектричества является наличие внутри вещества атомных (или молекулярных) диполей. Эти диполи ориентируются внешним электрическим полем и остаются ориентированными после снятия поля; переключение направления поля на противоположное приводит к обратной ориентации диполей. Принципиальное отличие сегнетоэлектричества от ферромагнетизма состоит в том, что свободные электрические заряды могут экранировать электрические поля, создаваемые электрическими диполями, а это затрудняет прямое наблюдение статической поляризации. Поляризацию обычно измеряют по так называемой петле гистерезиса. Образец помещают между пластинами конденсатора, на которые подается переменное напряжение E. На экране осциллографа регистрируется кривая зависимости заряда, возникающего на пластинах, а тем самым и электрической поляризации (поскольку заряд, отнесенный к единице площади поверхности пластин, является мерой вектора электрической поляризации P), от напряжения поля E. Петля гистерезиса (рис.1) характеризуется двумя величинами: остаточной поляризацией P (любого знака), имеющейся даже при нулевом поле E, и коэрцитивным полем E_c, при котором вектор поляризации изменяет направление на обратное. Площадь петли гистерезиса равна работе электрических сил, затрачиваемой в пределах одного цикла перехода сегнетоэлектрика между двумя эквивалентными состояниями поляризации противоположного знака.