Электрический диполь

Система из двух равных разноименных зарядов образует электрический диполь, характеристика диполя – вектор электрического дипольного момента, который по определению равен:

(4.1)

где: q – модуль заряда.

– вектор, проведенный от отрицательного заряда к положительному.

В СИ электрический дипольный момент измеряется в кулонах умноженных на метр ( Клм).

Направление электрического дипольного момента совпадает с направлением от отрицательного к положительному заряду. Линии напряженности электрического поля диполя показаны на рис. 1.5в.

Если диполь находится в однородном внешнем электрическом поле, то на него действует пара сил (см. рис. 4.1), вращательный момент которой (см. ч. I (8.4)) равен:

.

Подставляя из (1.5) и учитывая определение электрического дипольного момента (4.1), получаем значение модуля момента сил:

направление его определяется по правилу правого винта (см. ч. I, лекция 7 § 4).

Следовательно, момент сил равен векторному произведению: (4.2)

Суммарная сила, действующая на диполь в однородном электрическом поле:

поэтому диполь в электрическом поле поступательно не перемещается, а только поворачивается по полю. При параллельном диполь будет находиться в устойчивом равновесии.

Потенциальная энергия точечного заряда q_o во внешнем электрическом поле W_p = q_o, где   потенциал поля в точке нахождения заряда.

Диполь  система двух равных по величине разноименных зарядов, поэтому его потенциальная энергия во внешнем электрическом поле ,

где ₂ и ₁  потенциалы внешнего, однородного электрического поля в точках расположения положительного (+q) и отрицательного (q) зарядов.

Согласно формуле , где разность потенциалов ₂  ₁ равна приращению потенциала на отрезке х =сos (так как потенциал однородного поля убывает линейно в направлении ), т. е. .

Следовательно, потенциальную энергию диполя можно записать в виде

или . (1)

Формула (4.1) остается справедливой и при внесении диполя в неоднородное поле. Из формулы (4.1) следует, что при  = 0 потенциальная энергия минимальна: W_p^min = pE, т. е. диполь находится в состоянии устойчивого равновесия (M = 0). При  = 90^о, W_p=0 (M^max = pE). При  = 180^о , W_p^max = pE (состояние неустойчивого равновесия).

Замечание: Формула (1) не учитывает потенциальную энергию взаимодействия зарядов, образующих диполь.

16. Полярные и неполярные диэлектрики. Поляризация.

Неполярные диэлектрики

Рис.1

К неполярным диэлектрикам относятся, например, молекулы водорода Н₂, азота N₂, кислорода О₂ и др. В таких диэлектриках в отсутствии внешнего электрического поля (Е = 0) “центры тяжести” положительных и отрицательных зарядов совпадают (= 0) и дипольный момент каждой молекулы равен нулю. Суммарный дипольный момент диэлектрика в целом также равен нулю. При внесении неполярного диэлектрика во внешнее электрическое поле (Е  0) происходит деформация электронных оболочек атомов и молекул. «Центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга ( 0, рис. 1, а, б). Поэтому молекулы неполярного диэлектрика приобретают наведенный дипольный момент . Молекулы неполярного диэлектрика подобны упругому диполю. При выключении внешнего электрического поля дипольный момент исчезает.

Полярные диэлектрики

К полярным диэлектрикам относятся вода (Н₂О), спирты и др.

Рис. 2

Молекулы полярных диэлектриков из–за особенностей своего строения уже в отсутствии внешнего электрического поля (Е = 0, рис. 2, а) имеют дипольный момент, не равный нулю ( 0). Изза теплового хаотического движения молекул суммарный дипольный момент диэлектрика в целом равен нулю.

При внесении полярного диэлектрика во внешнее электрическое поле молекулы деформируются, но эта деформация столь незначительна, что полярную молекулу можно считать жестким диполем. При Е  0 (рис.2, б), суммарный дипольный момент всех молекул полярного диэлектрика уже не равен нулю.