ელექტრულ ველში შეტანილ ნივთიერებას შეუძლია მნიშვნელოვნად შეცვალოს იგი. ეს იმასთანაა დაკავშირებული, რომ ნივთიერება შედგება დამუხტული ნაწილაკებისაგან. გარე ველის არარსებობის შემთხვევაში ნაწილაკები ნივთერების შიგნით განაწილებულია ისე, რომ მათ მიერ შექმნილი ელექტრული ველი, ატომებისა და მოლეკულების დიდი რაოდენობის შემცველი მოცულობების შორის გასაშუალოებით, ნულის ტოლია. გარე ველის არსებობის შემთხვევაში ხდება დამუხტული ნაწილაკების გადანაწილება და ნივთიერებაში წარმოიქმნება საკუთარი ელექტრული ველი. სრული \(\vec{E}\) ელექტრული ველი სუპერპოზიციის პრინციპის თანახმად იქმნება \(\vec{E}_{0}\) გარე ველის და ნივთიერების დამუხტული ნაწილაკების მიერ შექმნილი \(\vec{E}{}'\) შიგა ველების შეჯამებით.
ელექტრული თვისებების მიხედვით ნივთიერებები მრავალგვარია. ნივთიერებათა ყველაზე უფრო ფართო კლასებს ქმნიან გამტარები და დიელექტრიკები.
გამტარების ძირითადი განმასხვავებელი თავისებურებაა თავისუფალი მუხტების (ელექტრონების) არსებობა, რომლებიც სითბურ მოძრაობაში მონაწილეობენ და თავისუფლად შეუძლიათ გადაადგილება გამტარის მთელ მოცულობაში. ტიპური გამტარები - მეტალებია.
გარე ველის არარსებობის შემთხვევაში გამტარის მოცულობის ნებისმიერ ელემენტში უარყოფითი მუხტები ანეიტრალებენ იონური მესერის დადებით მუხტებს. ელექტულ ველში შეტანილ გამტარში ხდება თავისუფალი მუხტების გადანაწილება, რის შედაგადაც გამტარის ზადაპირზე წარმოიქმნება (თავს იყრის) არაკომპენსირებული დადებითი და უარყოფით მუხტები (ნახ. 1). ამ პროცესს ელექტროსტატიკური ინდუქცია ეწოდება, ხოლო გამტარის ზედაპირზე თავმოყრილ მუხტებს - ინდუქციური მუხტები.
ინდუქციური მუხტები ქმნიან საკუთარ ველს\(\vec{E}{}'\), რომელსაც გამტარის მთელ მოცულობაში ანეიტრალებს \(\vec{E}_{0}\) გარე ველი: \(\vec{E}=\vec{E}_{0}+\vec{E}{}'\) (გამტარის შიგნით).
გამტარის შიგნით სრული ელექტროსტატიკური ველი ნულის ტოლია, პოტენციალები კი ყველა წერტილში ერთნაირია და გამტარის ზედაპირის პოტენციალის ტოლია.
ნახ. 1.
ელექტროსტატიკური ველი
ელექტრულ ველში მოთავსებული გამტარის ყველა შიგა არე ელექტრონეიტრალური რჩება. გამტარის შიგნით გამოყოფილი რაღაც მოცულობა რომ მოვაცილოთ და სიცარიელე, ცარიელი სიღრუე რომ წარმოვქმნათ, მაშინ სიღრუის შიგნით ელექტრული ველი ნულის ტოლი იქნება. ამაზეა დაფუძნებული ელექტროსტატიკური დაცვა - ელექტრული ველისადმი მგრძნობიარე ხელსაწყოებს, ველის გავლენის თავიდან ასცილებლად მეტალის ყუთებში ათავსებენ (ნახ. 2).
ნახ. 2.
ელექტროსტატიკური დაცვა. მეტალის სიღრუეში ველი ნულის ტოლია
რადგანაც გამტარის ზედაპირი ექვიპოტენციურია, ზედაპირთან ძალწირები მისი მართობული უნდა იყოს.
გამტარებისაგან განსხვავებით, დიელექტრიკებში (იზოლატორებში) არა არის თავისუფალი ელექტრული მუხტები. ისინი ნეიტრალური მოლეკულებისა და ატომებისაგან შედგებიან. ნეიტრალურ ატომში დამუხტული ნაწილაკები ერთმანეთთანაა დაკავშირებული და არ შეუძლიათ ელექტრული ველის მოქმედებით იმოძრაონ დიელექტრიკის მთელ მოცულობაში.
დიელექტრიკის \(\vec{E}_{0}\) ელექტრული ველში შეტანისას, მასში ადგილი აქვს მოლეკულებისა და ატომების შემადგენლობაში შემავალი მუხტების გარკვეულ გადანაწილებას. ასეთი გადანაწილების შედაგად დიელექტრიკის ზედაპირზე წარმოიქმნება ჭარბი გაუწონასწორებელი ბმული (ჩამაგრებული, მოძრაობა რომ არ შეუძლია) მუხტები. ჩამაგრებული მუხტების მაკრისკოპულ სტრუქტურების შემადგენლობაში შემავალი დამუხტული ნაწილაკები, ძველებურად თვიანთი ატომების შემადგენლობაში ხვდებიან.
ბმული მუხტები ქმნიან \(\vec{E}{}'\) ელექტრულ ველს, რომელიც დიელექტრიკის შიგნით მიმართულია გარე ველის დაძაბულობის \(\vec{E}_{0}\) ვექტორის საწინააღმდეგოდ. ამ პროცესს დიელექტრიკის პოლარიზაციას უწოდებენ. ამის შედეგად დიელექტრიკის შიგნით სრული ელექტრული \(\vec{E}=\vec{E}_{0}+\vec{E}{}'\) ველი სიდიდით გარე \(\vec{E}_{0}\) ველზე ნაკლები გამოდის.
ფიზიკურ სიდიდეს, რომელიც ტოლია ვაკუუმში გარე \(\vec{E}_{0}\) ელექტრული ველის დაძაბულობის ფარდობისა ერთგვაროვან დიელექტრიკში სრული ველის \(\vec{E}\) დაძაბულობისა, ნივთიერების დიელექტრულ შეღწევადობას უწოდებენ.
\(\varepsilon =\frac{E_{0}}{E}\)
დიელექტრიკის პოლარიზების რამდენიმე მექანიზმი არსებობს. მათ შორის ძირითადებია ორიენტაციული და ელექტრული პოლარიზაციები. ეს მექანიზმები თავს იჩენენ ძირითადად აიროვანი და თხევადი დიელექტრიკების პოლარიზაციისას.
ორიენტაციული ან დიპოლური პოლარიზაცია ე.წ. პოლარულ დიელექტრიკებში წარმოიშვება, სადაც დადებითი და უარყოფითი მუხტების განაწილების ცენტრები ერთმანეთს არ ემთხვევა. ასეთი მოლეკულები მიკროსკოპულ ელექტრულ დიპოლებს - მოდულით ტოლ და ნიშნით საწინააღმდეგო, ერთმანეთისაგან გარკვეულ მანძილზე განლაგებული ორი მუხტის ერთობლიობას წარმოადგენენ. დიპოლური მომენტი აქვს, მაგალითად, წყლის მოლეკულას და ასევე სხვა დიელექტრიკების მოლეკულებსაც (H2S, NO2 და ა.შ.).
გარე ელექტრული ველის არარსებობის შემთხვევაში მოლეკულური დიპოლების ღერძები, სითბური მოძრაობის გამო, ქაოსურადაა ორიენტირებული, ასე რომ დიელექტრიკის ზედაპირზე და მისი მოცულობის ნებისმიერ ელემენტში მუხტი საშუალოდ ნულის ტოლია.
დიელექტრიკის \(\vec{E}_{0}\) გარე ველში შეტანით მოლეკულური დიპოლების ნაწილობდივი ორიენტაცია წარმოიქმნება. ამის შედეგად დიელექტრიკის ზედაპირზე იქმნება გაუწონასწირებელი (არაკომპენსირებული) მაკრისკოპული ბმული მუხრები, რომლებიც \(\vec{E}_{0}\) გარე ველის შემხვედრი მიმართულების \(\vec{E}{}'\) ველს ქმნიან (ნახ. 3).
ნახ. 3.
პოლარული დიელექტრიკის პოლარიზაციის ორიენტაციის მექანიზმი
პოლარული დიელექტრიკების პოლარიზაცია ძლიერადაა დაკავშირებული ტემპერატურაზე, რადგანაც მოლეკულების სითბური მოძრაობა მადეზორიენტირებელ ფაქტორს წარმოადგენს.
ელექტრული ან დრეკადი მექანიძზმი თავს იჩენს ე.წ. არაპოლარული დიელექტრიკების პოლარიზაციის დროს, რომელთა მოლეკულებს გარე ველის არარსებობის შემთხვევაში დიპოლური მომენტი არ აქვთ. ელექტრული ველის მოქმედებისას არაპოლარული დიელექტრიკების მოლეკულები დეფორმირდებიან - დადებითი მუხტები გადანაცვლდებიან \(\vec{E}_{0}\) ვექტორის მიმართულებით, უარყოფითები კი საწინააღმდეგო მიმართულებით. ამის შედეგად მოლეკულები ელექტრულ დიპოლებად იქცევიან, რომლის ღერძიც გარე ველის გასწვრივაა მიმართული. დიელექტრიკის ზედაპირზე წარმოიქმნება არაკომპენსირებული ბმული მუხტები, რომლებიც ქმნიან \(\vec{E}_{0}\) გარე ველის საწინააღმდეგოს მიმართულ საკუთარ \(\vec{E}{}'\) ველს. ამგვარად ხდება არაპოლარული დიელექტრიკის პოლარიზაცია (ნახ. 4).
გარე ელექტრული ველის მოქმედებით გამოწვეული არაპოლარული დიელექტრიკების პოლარიზაცია არ არის დამოკიდებული სითბურ მოძრაობაზე, ამოტომ არაპოლარული დიელექტრიკის პოლარიზაცია არ არის დამოკიდებული ტემპერატურაზე. არაპოლარული დიელექტრიკის მოლეკულის მაგალითად გამოდგება CH4 მეთანის მოლეკულა. ამ მოლეკულაში წესიერი პირამიდის ცენტრში ოთხჯერიონიზებული ნახშირბადის იონია მოთავსებული, ხოლო წვეროებში წყალბადის იონებია განლაგებული. გარე ელექტრულ ველში მოხვედრისას ნახშირბადის იონი პირამიდის ცენტრიდან გადაინაცვლებს, და მოლეკულას გარე ელექტრული ველი პროპორციული დიპოლური მომენტი უჩნდება.
ნახ. 4.
არაპოლარული დიელექტრიკის პოლარიზაცია
პოლარული და არაპოლარული დიელექტრუკების პოლარიზაციისას წარმოქმნილი, ბმული მუხტების \(\vec{E}{}'\) ელექტრული ველს მოდული \(\vec{E}_{0}\) გარე ველის მოდულის პროპორციულად იცვლება. ძალიან ძლიერ ელექტრულ ველებში ეს კანონზომიერება შეიძლება დაირღვეს, და ასეთ შემთხვევაში წარმოიშვება სხვადასხვა არაწრფივი ეფექტი. პოლარული დიელექტრიკების შემთხვევაში შეიძლება დაიკვირვებოდეს გაჯერების ეფექტი, როცა ყველა მოლეკულური დიპოლი ძალხაზების გასწვრის მწკრივდება. არაპოლარული დიელექტრიკების შემთხვევაში ძლიერ გარე ელექტრულ ველს, რომელიც მოდულით შიგა ველთან შედარებადია, შეუძლეა ნივთიერების მოლეკულებისა და ატომების მნიშვნელოვანი დეფორმირება და მათი ელექტრული თვისებების შეცვლა. მაგრამ, ეს მოვლენები პრაქტიკულად არასდროს არ დაიკვირვება, რადგანაც ამისთვის საჭიროა 1010–1012 ვ/მ რიგის დაძაბულობის ველები. ამასთან, გაცილების ნაკლები გაძაბულობისას ხდება დიელექტრიკის გარღვევა.
მრავალი არაპოლარული მოლეკულის პოლარიზაციის დროს ხდება მათი ელექტრული გარსის დეფორმირება, ამიტომ ამ მექანიზმმა მიიღო ელექტრული პოლარიზაციის სახელწოდება. ეს მექანიზმი უნივერსალურია, რადგანაც გარე ველის მოქმედებით ელექტრული გარსების დეფორმირება ნებისმიერი დიელექტრიკის ატომებში, მოლეკულებსა და იონებში ხდება.
მყარკრისტალიანი დიელექტრიკების შემთხვევაში წარმოიქმნება ე.წ. იონური პოლარიზაცია, რომლის დროსაც კრისტალური მესერის შემადგენელი სხვადასხვა ნიშნიანი იონები, გარე ელექტრულ ველში მოხვედრისას ურთიერთსაწინააღმდეგო მიმართულებით გადანაცვლდებიან, რის შედეგადაც კრისტალის წახნაგებზე წარმოიქმნება ბმული (არაკომპენსირებული) მუხტები. ასეთი მექანიზმის მაგალითად შეიძლება გამოვიყენოთ NaCl-ს კრისტალის პოლარიზაცია, რომელშიც Na+ და Cl– იონები ერთმანეთში ჩაწყობილ, ორ ქვემესერს ქმნის. გარე ველის არარსებიბის შემთხვევაში NaCl-ს კრისტალის ყოველი ელემეტარული უჯრედი ელექტრულად ნეიტრალურია და არ გააჩნია დიპოლური მომენტი. გარე ელექტრულ ველში ორივე ქვემესერი ურთიერთსაწინააღმდეგოდ გადაინაცვლებს, ე.ი. კრისტალი პოლარიზდება.
არაერთგვაროვანი დიელექტრიკის პოლარიზაციისას ბმული მუხტები შეიძლება წარმოიქმნას არა მხოლოდ დიელექტრიკის ზედაპირზე, არამედ მისი მიცულობის შიგნითაც. ასეთ შემთხვევაში ბმული მუხტების ელექტრულ \(\vec{E}{}'\) ველს და სრულ \(\vec{E}\) ველს შეიძლება, დიელექტრიკის სტრუქტურაზე დამოკიდებული, რთული სტრუქტურა ჰქონდეთ. იმის მტკიცება, რომ დიელექტრიკში ელექტრული ველი \(\vec{E}\) მოდულით \(\varepsilon\)-ჯერ ნაკლებია \(\vec{E}_{0}\) გარე ველთან შედარებით, მხოლოდ ისეთი ერთგავაროვანი დიელექტრიკების შემთხვავაშია მკაცრად სამართლიანი, რომლებიც იმ მთელ სივრცეს ავსებენ, რომელშიც გარე ველია შექმნილი. კერძოდ:
თუ \(\varepsilon\) დიელექტრიკული შეღწევადობის ერთგვაროვან დიელექტრიკში იმყოფება წერტილოვანი \(Q\) მუხტი, მაშინ ამ მუხტის მიერ შექმნილი ველის დაძაბულობა \(\vec{E}\) და \(\varphi\) პოტენციალი \(\varepsilon\)-ჯერ ნაკლებია ვაკუუმთან შედარებით:
\(\vec{E}=\frac{1}{4\pi \varepsilon _{0}}\frac{Q}{\varepsilon r^{3}}\), \(\varphi =\frac{1}{4\pi \varepsilon _{0}}\frac{Q}{\varepsilon r}\)