Warto przeczytać

Dipol to układ dwóch identycznych co do wartości ładunków różnoimiennych oddalonych od siebie o stałą odległość.

R7QmDU7QKO0Ub

Rys. 1. Rysunek przedstawia dipol elektryczny składający się z ładunku dodatniego, przedstawionego w postaci czerwonego koła z czarnym znakiem plus, po stronie lewej, oznaczonego znakiem plus i małą literą q oraz z ładunku ujemnego, przedstawionego w postaci niebieskiego koła z czarnym znakiem minus, po stronie prawej, oznaczonego znakiem minus i małą literą q. Ładunki połączono dodatkowym, szarym odcinkiem i oznaczono małą literą l.

Dipol jest więc układem elektrycznie obojętnym, tzn. jego ładunek wypadkowy jest zerowy, ponieważ dodatni ładunek równoważony jest ładunek ujemny. Pomimo tej elektrycznej neutralności, dipol oddziałuje z polem elektrycznym. Jeśli dipol znajdzie się w polu elektrycznym, to na ogół dozna on obrotu.

Rsut0dG1mXObG

Rys. 2. Rysunek przedstawia dipol elektryczny składający się z ładunku dodatniego, przedstawionego w postaci czerwonego koła z czarnym znakiem plus, po stronie prawej u góry, oznaczonego znakiem plus oraz z ładunku ujemnego, przedstawionego w postaci niebieskiego koła z czarnym znakiem minus, po stronie lewej u dołu. Ładunki połączono dodatkowym, szarym odcinkiem i oznaczono małą literą . Przez środek dipola poziomo poprowadzono przerywaną czarną linię. Kąt nachylenia dipola względem tej linii wynosi kąt alfa. Od środka dipola do ładunku dodatniego poprowadzono wektor położenia opisany małą, czarną literą r ze znaczkiem wektora ponad nią. Wektor natężenia pola elektrycznego narysowano w postaci poziomego wektora, skierowanego w prawo, oznaczonego wielką, czarną literą E z indeksem dolnym z i ze znaczkiem wektora ponad nią. Na ładunek dodatni działa siła skierowana poziomo w prawo i jest oznaczona wielką, czarną literą F z indeksem dolnym plus i znaczkiem wektora ponad nią. Na ładunek ujemny działa siła skierowana poziomo w prawo i jest oznaczona wielką, czarną literą F z indeksem dolnym minus i znaczkiem wektora ponad nią.

Na ładunek dodatni i na ładunek ujemny działają dwie siły, co do wartości równe sobie. W wyniku tego na dipol działa moment siły, będący wypadkową dwóch momentów od obu wspomnianych sił:

Oba momenty są tej samej wartości, mają też ten sam zwrot. Ich wartość zależy od kąta, jaki tworzy oś dipola z liniami zewnętrznego pola elektrycznego:

Zatem wypadkowy moment siły działający na dipol ma wartość:

Jak widać, zachowanie dipola w polu zewnętrznym elektrycznym zależy od iloczynu wartości ładunków, jakie tworzą dipol, i od odległości między nimi. Zachowanie dipola nie zmieni się, jeśli np. zwiększymy dwukrotnie wartość ładunków, jednocześnie dwukrotnie skracając odległość między ładunkami. Dlatego też wprowadzamy wielkość zwaną momentem dipolowymmoment dipolowymomentem dipolowym, której wartość równa jest wspomnianemu iloczynowi.

RxXfmpZkPRR6P

Rys. 3. Rysunek przedstawia dipol elektryczny składający się z ładunku dodatniego, przedstawionego w postaci czerwonego koła z czarnym znakiem plus, po stronie prawej, oznaczonego znakiem plus i małą literą q oraz z ładunku ujemnego, przedstawionego w postaci niebieskiego koła z czarnym znakiem minus, po stronie lewej, oznaczonego znakiem minus i małą literą q. Ładunki połączono dodatkowym, czarnym wektorem skierowanym od ładunku ujemnego do dodatniego oznaczonego czarną, małą literą l ze znaczkiem wektora ponad nią.

A ściślej, moment dipolowy jest wektorem, zdefiniowanym jako iloczyn ładunku $q$ i wektora łączącego ładunek ujemny z dodatnim:

Zatem kierunek i zwrot wektora $\overrightarrow{p}$ pokrywa się z kierunkiem i zwrotem zewnętrznego pola elektrycznego, gdy dipol jest w położeniu równowagi ($\alpha=0$).

Jeśli na dipol elektryczny w zewnętrznym polu elektrycznym działa niezrównoważony moment siły, zgodnie z drugą zasadą dynamiki dla ruchu obrotowego, będzie się on obracał z przyspieszeniem kątowym $\overrightarrow{\epsilon }$:

gdzie $I$ jest momentem bezwładności dipola. Ponieważ moment siły nie jest stały, a zależy od kąta, jaki tworzy oś dipola z zewnętrznym polem elektrycznym, przyspieszenie kątowe będzie zmienne. Dipol będzie się obracał tak, by ustawić się zgodnie z kierunkiem linii zewnętrznego pola elektrycznego.

Dipol to najprostszy model cząsteczki, uwzględniający jej własności elektryczne, tzn. nierównomierny rozkład ładunku wewnątrz cząsteczki. Cząstki takie nazywamy polarnymi, a wśród przykładów można wymienić cząsteczki takich substancji jak: woda (HIndeks dolny 2₂O), bromek potasu (KBr) i cyjanowodór (HCN). Przykładem cząstki niepolarnej, czyli takiej w której ładunek rozłożony jest równomiernie jest dwutlenek węgla (COIndeks dolny 2₂). Ponieważ ładunki tworzące dipol są różnego znaku, pole elektryczne pośrodku dipola nie jest zerowe. Pole to jest superpozycją dwóch pól wytwarzanych przez każdy z ładunków. Natężenie pola od ładunku dodatniego w środku dipola równe jest natężeniu pola od ładunku punktowego w odległości $l/2$ od ładunku:

Natężenie pola elektrycznego wytwarzanego przez ładunek ujemny ma tę samą wartość:

Ponieważ linie pola elektrycznego skierowane są od ładunków dodatnich do ładunków ujemnych, oba wektory ${\overrightarrow{E}}_{+}$ i ${\overrightarrow{E}}_{-}$ skierowane są w tę sama stronę. Zatem wartość wypadkowego pola elektrycznego równa jest sumie ich wartości:

Rz8duDjmm5Vx5

Rys. 4. Rysunek przedstawia dipol elektryczny składający się z ładunku dodatniego, przedstawionego w postaci czerwonego koła z czarnym znakiem plus, po stronie lewej, oznaczonego znakiem plus i małą literą q oraz z ładunku ujemnego, przedstawionego w postaci niebieskiego koła z czarnym znakiem minus, po stronie prawej, oznaczonego znakiem minus i małą literą q. Ładunki połączono dodatkowym, szarym odcinkiem i oznaczono małą literą l. W połowie tego odcinka, od środka dipola do ładunku ujemnego poprowadzono poziomy, czarny wektor, skierowany w prawo opisany wielką, czarną literą E ze znaczkiem wektora ponad nią.

Taki kierunek pola decyduje o własnościach dielektryków (izolatorów) w polu elektrycznym. Jeśli umieścimy dielektryk w zewnętrznym polu elektrycznym ${\overrightarrow{E}}_w$, dojdzie do zjawiska polaryzacji elektrycznej. Na ładunki dodatnie podziała siła zgodna z kierunkiem linii zewnętrznego pola i przeciwnie skierowana siła na ładunki ujemne. Pole to doprowadzi do polaryzacji dielektryka, czyli do wytworzenia w nim wewnętrznego pola elektrycznego ${\overrightarrow{E}}_w$. Pole to będzie skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego. Zatem dielektryk osłabia pole elektryczne, ponieważ wypadkowe natężenie pola elektrycznego będzie równe natężeniu zewnętrznego pola pomniejszonemu o natężenie wewnętrznego pola dipoli

RBqgccmygD294

Rys. 5. Rysunek 5 lewy Rysunek przedstawia dipol elektryczny składający się z ładunku dodatniego, przedstawionego w postaci czerwonego koła z czarnym znakiem plus, po stronie prawej u góry, oznaczonego znakiem plus oraz z ładunku ujemnego, przedstawionego w postaci niebieskiego koła z czarnym znakiem minus, po stronie lewej u dołu. Ładunki połączono dodatkowym, szarym odcinkiem. Wektor natężenia pola elektrycznego narysowano w postaci poziomego wektora, skierowanego w prawo, oznaczonego wielką, czarną literą E z indeksem dolnym z i ze znaczkiem wektora ponad nią. Na ładunek dodatni działa siła skierowana poziomo w prawo i jest oznaczona wielką, czarną literą F z indeksem dolnym plus i znaczkiem wektora ponad nią. Na ładunek ujemny działa siła skierowana poziomo w prawo i jest oznaczona wielką, czarną literą F z indeksem dolnym minus i znaczkiem wektora ponad nią.
Rysunek 5 prawy Rysunek przedstawia dipol elektryczny składający się z ładunku dodatniego, przedstawionego w postaci czerwonego koła z czarnym znakiem plus, po stronie prawej, oznaczonego znakiem plus oraz z ładunku ujemnego, przedstawionego w postaci niebieskiego koła z czarnym znakiem minus, po stronie lewej, oznaczonego znakiem minus. Ładunki połączono dodatkowym, szarym odcinkiem. W połowie tego odcinka, od środka dipola do ładunku ujemnego poprowadzono poziomy, czarny wektor, skierowany w prawo opisany wielką, czarną literą E z indeksem dolnym w i ze znaczkiem wektora ponad nią. Wektor natężenia pola elektrycznego narysowano w postaci poziomego wektora, skierowanego w prawo, oznaczonego wielką, czarną literą E z indeksem dolnym z i ze znaczkiem wektora ponad nią.

Słowniczek