1. Електрически дипол

Диелектриците (твърди, течни и газообразни) се състоят от електрически неутрални молекули или атоми. Диелектриците обаче реагират на външно електрическо поле (EF), като обикновено го отслабват. В много случаи това се случва, защото електронните облаци в диелектричните молекули са изкривени, така че центърът на разпределението на отрицателния заряд не съвпада с центъра на разпределението на положителния заряд. Тогава молекулата (електрически неутрална!) се превръща в електрически дипол, тя има електрически диполен момент. Електрическият дипол (ED) е един от най-важните модели на електродинамиката.

Най-лесно е да мислим за електрически дипол като неутрална система от два точкови заряда с противоположни имена. Основната количествена характеристика на такава система - нейният електрически диполен момент - се изчислява по формулата:

. (1.1)

Тукq–е стойността на положителния заряд, включен в дипола (обикновено наричан диполен заряд), а

е рамото на дипола, което е вектор, съставен от отрицателния заряд на дипола към неговия положителен заряд. Много молекули се държат като диполи. Диполният момент на водната молекула е особено голям. Това е 1,855 D (дебай). 1 D \u003d 3,34 ∙ 10 - 30 C ∙ m. Диполните моменти на някои други молекули са дадени в табл. 6.2.

Най-общата дефиниция на електрическия диполен момент е много подобна на дефиницията на радиус вектора на центъра на масата:

. (1.2)

Схематично представяне на дипола е показано на фиг. 1.1.

Електрическият дипол реагира на външно електрическо поле, а реакцията на дипола към еднородно и нехомогенно поле е различна. Енергията на взаимодействие на дипол с еднородно електрическо поле с интензитет

и моментът на силите, действащи върху дипола от това поле, се определят от следнотоформули:

. (1.3 а, б)

В слабо нееднородно електрическо поле върху дипола действа сила

. (1.4)

Въпреки че диполът е електрически неутрален, той създава електрическо поле, тъй като разстоянията от точковите заряди, от които се състои, до произволна точка в пространството са различни. На голямо разстояние от дипола потенциалът и силата на неговото поле могат да бъдат изчислени по формулите (фиг. 1.2):

. (1,5 а, б)

Където

Ако системата от точкови заряди е електрически неутрална и нейният диполен момент е равен на нула, тя въпреки това може да реагира на външен EF и да създаде EF в околното пространство. Такава система се нарича електричен четириполюсник, а основната му електрическа характеристика се нарича електрически квадруполен момент. Опитайте се да дадете пример за електрически четириполюсник.

Ориз. 1.1. Схематично представяне на електрически дипол

Ориз. 1.2. векторни илюстрации,

включени във формули (1.5)

Въпроси и задачи

1.1. Как се движи дипол, когато е поставен в еднородно електрическо поле?

1.2. Начертайте енергията на взаимодействие дипол-поле като функция на ъгъла между диполния момент и напрегнатостта на електрическото поле (EFS).

1.3. Начертайте зависимостта на модула на момента на силите, действащи върху дипола от външното поле, от ъгъла между диполния момент и NEP.

1.4. ED има заряд от 20 μC и рамо от 40 mm. Изчислете максималната енергия на взаимодействие на този дипол с поле от 40 mV/cm.

1.5. Изчислете максималната стойност на момента на силите, действащи върху дипола от задача 1.4.

1.6. След като среса косата си на главата си, Джеймс Связкин постави на масата гребен, върху който се образува заряд от +60 μC, на разстояние 350 dmот главата. Намерете NEP, създаден от главата и гребете в точка на 200 dm от главата и 300 dm от гребена.

1.7. Водната молекула се намира във външния ЕР. Компонентите на неговия диполен момент са

D,D. Компоненти на NEP:V/m,V/m, а модулът му е 100 V/m. Определете енергията на взаимодействие на водната молекула с полето.

1.8. В постоянно електрическо поле от 200 V / m, молекулите с диполен момент от 20 D всяка са в състояние на стабилно равновесие при много ниска температура. Концентрацията на молекулите е 10 16 cm - 3 . Изчислете обемната енергийна плътност на системата, без да отчитате вътрешната енергия на молекулите.

1.9. Диполен заряд 10 nC, координати на положителни и отрицателни заряди: mm, mm. Изчислете силата, действаща върху този дипол в електрическо поле

,= 3,5 V m - 2 ,= 7,2 V m - 3 .

1.10. Определете честотата на малките трептения на електрически дипол в поле от 300 V/m. Диполен заряд 2,5 nC, дължина 30 mm, маса 10 mg равномерно разпределен по дължината.

1.11. Начертайте линиите на полето, което създава дипола.

---