9.1.2 Электрический диполь. Диполь в однородном и неоднородном электрических полях

Сравнивая закон Кулона с законом Всемирного тяготения, на первый взгляд создаётся впечатление, что, точно так же, как и гравитационное воздействие, электрические поля от различных объектов должны ощущаться на громадных, вплоть до границ Вселенной, расстояниях. На деле это, однако, не совсем так. Дело в том, что в целом окружающий нас мир не обладает избыточным электрическим зарядом, и воздействие близко расположенных зарядов разных знаков на больших расстояниях практически компенсируются. Примером объекта, на котором это можно достаточно легко продемонстрировать, является электрический диполь: система из одинаковых по величине, но имеющих противоположные знаки зарядов q и q, расположенных малой (по сравнению с расстоянием r до точки наблюдения) дистанции l друг от друга. «Связь» между зарядами может быть как абсолютно жёсткой (l  const), так и упругой (возможно небольшое изменение l под действием внешних сил).

Для количественного описания свойств диполя вводится дипольный электрический момент: вектор , определяемый, как

 q, (9.4)

г де – вектор, по длине равный расстоянию между зарядами диполя и направленный от отрицательного заряда к положительному (см. рис. 9.4.а). На рис. 9.4.б) и 9.4.в) приведены другие примеры графического изображения электрических диполей.

Понятно, что на большом расстоянии r от диполя (см. рис. 9.5) притяжение заряда одного знака практически уравновешивается отталкиванием от заряда противоположного знака. Можно показать, что при r  l напряжённость электрического поля, создаваемого диполем, обратно пропорциональна уже не квадрату, а кубу расстояния (и при этом зависит от угла , под которым ведётся наблюдение):

E  . (9.5)

Реально силы кулоновского электростатического взаимодействия обычно учитываются на расстояниях, не превышающих десятка километров. В то же время на очень малых (меньших, чем диаметр атомного ядра, то есть менее 10^15 м) кулоновскими силами зачастую также можно пренебречь, так как на таких расстояниях существенным становится сильное взаимодействие между элементарными частицами.

Электрический диполь может служить моделью молекул, из которых состоят многие окружающие нас вещества, и поэтому важное практическое значение имеет рассмотрение того, как такой объект ведёт себя в электрическом поле.

а) В однородном поле (вектор везде одинаков по величине и направлению, силовые линии являются параллельными и расположенными на равном расстоянии друг от друга прямыми) на положительный и отрицательный полюса диполя действуют одинаковые по величине, но противоположные по направлению силы (рис. 9.6).

На положительный полюс действует сила, по определению направленная туда же, что и вектор (на рисунке - направо), на отрицательный полюс – в противоположную сторону (на рисунке – налево). Под действием возникающего момента пары сил происходит разворот диполя таким образом, чтобы вектор оказался направлен туда же, куда и вектор . В дальнейшем силы, действующие на полюса, будут стремиться «растянуть» диполь, но ни повернуть, ни заставить его двигаться они уже не смогут, так как эти силы равны по величине, противоположны по направлению и при этом лежат на одной прямой.

б) Если поле неоднородно (в одной части рисунка силовые линии расположены гуще, чем в другой), то диполь не только поворачивается, но одновременно начинает втягиваться в область сильного поля. Действительно, силы теперь, во-первых, направлены в разные стороны, причём под углом, не равным 180º, друг к другу (они по-прежнему являются касательными к силовым линиям), и, во-вторых, неодинаковы по величине, поскольку в области сгущения силовых линий напряжённость электрического поля выше: рис. 9.7.