數學表述
電偶極矩
![電偶極子](/img/8/08e/nBnauM3X0QDMxETO4IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczLzczLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
稱相距為
的一對等量異號點電荷
和
組成的系統為電偶極子。其特徵量為電偶極矩(簡稱電矩):
![電偶極子](/img/e/cec/nBnauM3X3AzMyITO4IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczLwMzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
![電偶極子](/img/1/d18/nBnauM3XyQTM3MTO4IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczL0AzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
式中矢量
和
的方向被規定為由負電荷指向正電荷。
![電偶極子](/img/a/a96/nBnauM3X3MzM2cTO4IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczLyYzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
在國際單位制(SI)中,電偶極矩的量綱是
,單位是庫[侖]·米。
![電偶極子](/img/f/abc/nBnauM3XxQDN2UzN5EzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLxczL1QzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
微觀物理學中常用的單位為德拜(debye,符號為D);
,它相當於典型分子內部核間距離的十分之一(約
)同一個電子的電荷
的乘積。
電偶極子產生的電場
中心位於坐標系原點的電偶極子在其遠方產生的電勢為:
![電偶極子](/img/6/80c/nBnauM3XwAjNyQDM5IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczLyQzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
![電偶極子](/img/6/fbf/nBnauM3X0EjM1kzN5EzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLxczL0MzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
所謂遠方是指
。
![電偶極子產生的電場](/img/9/525/nBnauM3X0IjNzgDM5IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczLyMzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
此式求梯度,即得位於原點的電偶極子在遠方產生的電場強度:
![電偶極子](/img/3/801/nBnauM3XxQDO2MTM5IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczL0UzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
外電場中的電偶極子
電偶極子僅在非均勻外電場中受非零合力。其所受合力為
![電偶極子](/img/8/144/nBnauM3X1MTM1MjM5IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczLxYzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
在外場中電偶極子還會受到力矩,
![電偶極子](/img/2/a0e/nBnauM3XyUTN5QjM5IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczLxQzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
以上兩式中的電場強度都是指去除電偶極子自身場強後剩餘的電場。
![電偶極子](/img/1/d18/nBnauM3XyQTM3MTO4IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczL0AzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
從第二式可以看出,
的量值也就是電偶極子在單位外電場下可能受到的最大力矩,故電偶極矩也稱電矩。
偶極子間的相互作用
![電偶極子](/img/c/953/nBnauM3XzUDN0UDMwIzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczL1UzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
如果偶極子
處於另一偶極子
產生的電場
中,則
的電勢能即相互作用能為
![電偶極子](/img/0/48f/nBnauM3XzgTM3IzM5IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczL4MzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
物理分類及套用
![電偶極子輻射示意圖](/img/5/742/nBnauM3X4ETO3YDN5IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczLzQzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
實際生活多見的電偶極子體系是具有偶極矩的電介質分子。有
一類電介質分子的正、負電荷中心不重合,自身形成電偶極子,稱為極性分子;另一類電介質分子的正、負電荷中心重合,稱為非極性分子,但在外電場作用下,兩個電荷中心會相互偏移,所以也形成電偶極子。
![電偶極子](/img/2/e04/nBnauM3X2cTMygDN5IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczL2YzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
電偶極子是電介質理論和原子物理學的重要模型,研究從穩恆到X光頻電磁場作用下電介質的色散和吸收,以及天線的輻射等現象,都要用到偶極子(例如振盪偶極子
)的概念。
推廣
![電偶極子](/img/a/900/nBnauM3XzEjNykDN5IzN0MzN0QTMwADMwADMwADMwATMxAzLyczLzUzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
將偶極子概念加以推廣,可有多極子,它是含有
個大小相等的點電荷,其中正負各半數,排列成有規律的點陣。在多極子系列中,n=0時,就是點電荷;n=1,就是電偶極子;n=2,稱為四極子;n≥2,統稱為高階多極子。高階多級子模型套用於核物理,其中最重要的是四極子。任意點電荷集合或任意分布電荷,如果能夠用一個球面包圍,則球外的電勢可用集中在球心的點多極子系列的電勢之和表示,該操作稱為電場的多極展開。