數學表述
電偶極矩
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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):
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式中矢量
和
的方向被規定為由負電荷指向正電荷。
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在國際單位制(SI)中,電偶極矩的量綱是
,單位是庫[侖]·米。
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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:
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所謂遠方是指
。
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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:
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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
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在外場中電偶極子還會受到力矩,
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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。
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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
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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
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物理分類及套用
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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。
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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
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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。