Согласно воззрениям классической физики диэлектрики коренным образом отличаются от проводников тем, что в обычных условиях свободные электрические заряды в них отсутствуют. Суммарный заряд частиц, образующих молекулы диэлектриков, равен нулю. Однако это вовсе не означает, что молекулы данных веществ не способны проявлять электрических свойств.
Все известные линейные диэлектрики можно разделить на две большие группы: полярные диэлектрики и неполярные диэлектрики. Данное разделение вводится в силу различий в механизмах поляризации молекул каждого типа диэлектриков. На самом деле механизм поляризации оказывается исключительно важным аспектом в изучении как физических и химических свойств диэлектриков, так и в изучении их электрических свойств.
Неполярные диэлектрики
Неполярные диэлектрики называются еще нейтральными диэлектриками, потому что молекулы, из которых данные диэлектрики состоят, отличаются совпадением центров тяжести отрицательного и положительного зарядов внутри них. В результате получается, что молекулы неполярных диэлектриков не имеют собственного электрического момента, он равен нулю. И при отсутствии внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды молекул таких веществ расположены симметрично.
Если же внешнее электрическое поле к неполярному диэлектрику приложить, то положительные и отрицательные заряды в молекулах сместятся от исходного положения равновесия, молекулы превратятся в диполи, электрические моменты которых окажутся теперь пропорциональны напряженности приложенного к ним электрического поля, и будут направлены параллельно полю.
В качестве примеров неполярных диэлектриков, которые с успехом применяются сегодня как электроизоляционные материалы, можно привести следующие: полиэтилен, полистирол, углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла и т. д. Также яркими представителями неполярных молекул являются, например, азот, углекислый газ, метан и т. д.
Неполярные диэлектрики благодаря низким значениям тангенса угла диэлектрических потерь находят широкое применение в качестве высокочастотных диэлектриков в конденсаторах, таких как К78-2.
Полярные диэлектрики
У полярных диэлектриков, которые называются также дипольными диэлектриками, молекулы обладают собственным электрическим моментом, то есть молекулы их полярны. Причина в том, что у полярных диэлектриков молекулы имеют асимметричное строение, поэтому центры масс отрицательных и положительных зарядов в молекулах таких диэлектриков не совпадают.
Если в неполярном полимере некоторые из атомов водорода заменить на атомы других элементов или на не углеводородные радикалы, то получится как раз полярный (дипольный) диэлектрик, поскольку симметрия в результате такой замены нарушится. Определяя по химической формуле полярность вещества, исследователю следует, конечно, иметь представление о пространственном строении его молекул.
Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе его объема электрический заряд в среднем равен нулю. Однако при внесении диэлектрика во внешнее поле возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле направленное навстречу внешнему полю.
В качестве примеров полярных диэлектриков, можно назвать следующие: хлорированные углеводороды, эпоксидные и фенол-формальдегидные смолы, кремнийорганические соединения и т. д. Молекулы воды и спирта, например, также являются яркими примерами полярных молекул. Полярные диэлектрики находят широкое применение в различных областях техники, таких как пьезо- и сегнетоэлектричество, оптика, нелинейная оптика, электроника, акустика и др.