電偶極子

電偶極子

電偶極子(electric dipole)是兩個相距很近的等量異號點電荷組成的系統。電偶極子的特徵用電偶極距P=lq描述,其中 l是兩點電荷之間的距離,l和P的方向規定由-q指向+q。電偶極子在外電場中受力矩作用而鏇轉,使其電偶極矩轉向外電場方向。電偶極矩就是電偶極子在單位外電場下可能受到的最大力矩,故簡稱電矩。如果外電場不均勻,除受力矩外,電偶極子還要受到平移作用。電偶極子產生的電場是構成它的正、負點電荷產生的電場之和。

數學表述

電偶極矩

電偶極子電偶極子

稱相距為

的一對等量異號點電荷

組成的系統為電偶極子。其特徵量為電偶極矩(簡稱電矩):

電偶極子電偶極子
電偶極子電偶極子

式中矢量

的方向被規定為由負電荷指向正電荷。

電偶極子電偶極子

在國際單位制(SI)中,電偶極矩的量綱是

,單位是庫[侖]·米。

電偶極子電偶極子

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:

電偶極子電偶極子
電偶極子電偶極子

所謂遠方是指

電偶極子產生的電場電偶極子產生的電場

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:

電偶極子電偶極子

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

電偶極子電偶極子

在外場中電偶極子還會受到力矩,

電偶極子電偶極子

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。

電偶極子電偶極子

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

電偶極子電偶極子

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

電偶極子電偶極子

物理分類及套用

電偶極子輻射示意圖電偶極子輻射示意圖

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。

電偶極子電偶極子

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

電偶極子電偶極子

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。

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