ГЛАВА II. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ДИЭЛЕКТРИКАХ

§ 15. Полярные и неполярные молекулы

Диэлектриками (или изоляторами) называются вещества, не способные проводить электрический ток. Идеальных изоляторов в природе не существует. Все вещества хотя бы в ничтожной степени проводят электрический ток. Однако вещества, называемые диэлектриками, проводят ток в раз хуже, чем вещества, называемые проводниками.

Если диэлектрик внести в электрическое поле, то это поле и сам диэлектрик претерпевают существенные изменения. Чтобы понять, почему это происходит, нужно учесть, что в составе атомов и молекул имеются положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны.

Всякая молекула представляет собой систему с суммарным зарядом, равным нулю. Линейные размеры этой системы очень малы (порядка нескольких ангстрем). В § 10 мы установили, что поле, создаваемое подобной системой, определяется величиной и ориентацией дипольного электрического момента

(суммирование производится как по электронам, так и по ядрам). Правда, электроны в молекуле движутся так, что этот момент все время изменяется. Однако скорости электронов столь велики, что практически обнаруживается среднее по времени значение момента (15.1). Поэтому в дальнейшем под дипольным моментом молекулы мы будем подразумевать величину

(для ядер в этой сумме в качестве берется просто ). Иначе говоря, мы будем считать, что электроны находятся относительно ядер в покое в некоторых точках, полученных усреднением положений электронов по времени.

Поведение молекулы во внешнем электрическом поле также определяется ее дипольным моментом. В этом можно убедиться, вычислив потенциальную энергию молекулы во внешнем электрическом поле. Выбрав начало координат внутри молекулы и воспользовавшись малостью представим потенциал в той точке, где находится i-й заряд, в виде

где — потенциал в начале координат (см. формулу (11.2)). Тогда

Учтя, что и заменив через —Е, получим

Продифференцировав это выражение по а, получим для вращательного момента выражение (9.11); взяв производную по придем к силе (9.16).

Таким образом, молекула как в отношении создаваемого ею поля, так и в отношении испытываемых ею во внешнем поле сил эквивалентна диполю. Положительный заряд этого диполя равен суммарному заряду ядер и помещается в «центре тяжести» положительных зарядов; отрицательный заряд равен суммарному заряду электронов и помещается в «центре тяжести» отрицательных зарядов.

У симметричных молекул (таких как ) в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают. Такие молекулы не обладают собственным дипольным моментом и называются неполярными. У несимметричных молекул (таких, например, как и т. п.) центры тяжести зарядов разных знаков сдвинуты друг относительно друга. В этом случае молекулы обладают собственным дипольным моментом и называются полярными.

Под действием внешнего электрического поля заряды в неполярной молекуле смещаются друг относительно друга: положительные по направлению поля, отрицательные против поля. В результате молекула приобретает дипольный момент, величина которого, как показывает опыт, пропорциональна напряженности поля. В рационализованной системе коэффициент пропорциональности записывают в виде где — электрическая постоянная, — величина, называемая поляризуемостью молекулы. Учтя, что направления и Е совпадают, можно написать

Дипольный момент имеет размерность, равную Согласие формуле (5.3) размерность равна Следовательно, поляризуемость молекулы обладает размерностью

Процесс поляризации неполярной молекулы протекает так, если бы положительные и отрицательные заряды молекулы были связаны друг с другом упругими силами. Поэтому говорят, неполярная молекула ведет себя во внешнем поле как упругий диполь.

Действие внешнего поля на полярную молекулу сводится в основном к стремлению повернуть молекулу так, чтобы ее дипольный момент установился по направлению поля. На величину дипольного момента внешнее поле практически не влияет. Следовательно, полярная молекула ведет себя во внешнем поле как жесткий диполь.