6.3.3. Polarizácia dielektrika

V časti  (6.2.2) bolo ukázané, že voľný náboj sídli na povrchu vodiča, to znamená na rozhraní medzi vodičom a nevodičom. Elektricky nevodivé látky - izolanty alebo dielektriká - obsahujú rovnako ako vodiče veľké množstvo nabitých častíc, v prevažnej miere sú to však len neutrálne molekuly s rovnako veľkými nábojmi s opačným znamienkom, pole od ktorých sa v makroskopickom objeme ruší. Platí to ale len pri rovnomernom rozložení nábojov. Dielektriká sa javia ako elektricky neutrálne.

Treba poznamenať, že dielektriká obsahujú tiež malý počet nabitých častíc, ktoré sa môžu v látke voľne pohybovať. Tieto náboje podmieňujú mizivo malú vodivosť izolantov, na ktorú   nebudeme v ďalšom prihliadať. Aj najmenšie častice tuhých látok môžu vplyvom deformujúcich síl meniť vzájomnú polohu. Náboje nie sú v dielektriku viazané na úplne nemenné polohy. Ich rozloženie sa pôsobením vonkajšieho elektrostatického poľa môže do istej miery meniť. Treba si uvedomiť, že náboj obsiahnutý v látke je veľmi veľký. Už i miligram látky obsahuje približne 50 C kladného a 50 C záporného náboja. I veľmi malé posunutie náboja  sa vzhľadom na jeho množstvo môže prejaviť poruchou vzájomnej kompenzácie polí vytvorených nábojmi opačného znamienka a výsledné elektrostatické pole od týchto nábojov už nebude nulové. Tento proces sa nazýva polarizácia dielektrika. Vzhľadom na rôznu štruktúru látok sa polarizácia môže uskutočniť niekoľkými spôsobmi:

Atómová polarizácia. Vzniká vzájomným posuvom kladne nabitého jadra a záporne nabitého elektrónového obalu atómu. Elektróny obiehajú okolo jadra s vysokou frekvenciou, (rýchlosťou zrovnateľnou s rýchlosťou svetla). Elektrónový obal sa dá takto považovať za rovnomerne nabitú guľovú plochu. Elektrostatické pole v jej okolí je také isté ako pole v okolí bodového rovnako veľkého náboja, ktorý by bol v jej strede. Výsledné pole od jadra a elektrónového obalu je teda nulové. Pôsobením vonkajšieho elektrostatického poľa sa súmernosť molekuly poruší. Jadro je ťahané v smere poľa, elektróny v opačnom smere. Takto nastane deformácia atómu. Stred elektrónového obalu nesplýva so stredom jadra (Obr. 6.3. 1). Atóm sa zmení na elektrický dipól s elektrickým momentom, ktorý je úmerný   vzájomnému posunu kladných a záporných nábojov. Toto posunutie je veľmi malé i vzhľadom na vzdialenosti elektrónového obalu od stredu atómu. Elektrické pole jadra v mieste elektrónu má intenzitu ~ 10¹² V m^-1, vonkajšie elektrické pole je minimálne o šesť rádov menšie, preto aj zmena parametrov dráhy je veľmi malá. Príkladom atómovej polarizácie je polarizácia molekuly inertného plynu, napr. He. Atómová polarizácia vzniká v každej látke, ale v súčinnosti s inými typmi polarizácie (uvedenými nižšie), je to najslabšia časť celkovej polarizácie.

Iónová polarizácia. Vzniká v látkach, ktorých molekuly sú zložené z dvoch alebo viacej iónov. Takéto molekuly majú nenulový elektrický moment aj bez pôsobenia vonkajšieho elektrického poľa. Ak usporiadanie molekúl v látke nie je podmienené väzobnými silami sú orientácie  momentov elektrických dipólov náhodne orientované a  vektorový súčet momentov veľkého počtu molekúl nulový. Aj v tuhých látkach sa v určitom rozmedzí môže meniť vzájomná poloha iónov v molekule. Ak je látka vo vonkajšom elektrostatickom poli, posunú sa kladné ióny vo všetkých molekulách v smere poľa a záporné ióny proti tomuto smeru, takže výsledný elektrický moment aj veľkého počtu molekúl už nie je nulový a jeho smer je rovnobežný so smerom elektrického poľa. Príkladom sú iónové kryštály, napr. NaCl.

Orientačná polarizácia. Vzniká v kvapalinách a v plynoch, kde sa orientácia polárnych molekúl vplyvom zrážok neustále mení. Mení sa teda aj smer elektrických momentov jednotlivých molekúl. Časová stredná hodnota výsledného elektrického momentu  molekúl sa rovná nule. Ak vložíme takúto látku do vonkajšieho elektrostatického poľa, pribudne k neusporiadaným točivým momentom pôsobiacim na molekuly vplyvom termického pohybu ešte aj točivý moment, ktorým pôsobí vonkajšie elektrostatické pole na elektrické dipóly molekúl. Tento sa (pozri časť 6.3.1) snaží natočiť každý dipól tak, aby jeho moment mal smer intenzity poľa. Usmerňovací účinok poľa je však stále rušený termickými pohybmi molekúl, a preto je možný len istý stupeň orientácie, ktorý závisí od teploty a od veľkosti elektrostatického poľa. Príkladom orientačnej polarizácie je polarizácia vody, molekula vody má nenulový elektrický dipól.

Ak sa stočia dipólové momenty všetkých molekúl do smeru elektrického poľa, nedá sa orientačná polarizácia už zvýšiť. Naproti tomu atómová a iónová polarizácia môže rásť priamo úmerne s intenzitou poľa, ale len v medziach daných pevnosťou dielektrika.