電偶極子

兩個等量異號點電荷組成的系統

電偶極子(electric dipole)是兩個等量異號點電荷組成的系統。電偶極子的特徵用電偶極矩p=ql描述,其中l是兩點電荷之間的距離,l和p的方向規定由-q指向+q。

電偶極子在外電場中受力矩作用而旋轉,使其電偶極矩轉向外電場方向。電偶極矩就是電偶極子在單位外電場下可能受到的最大力矩,故簡稱電矩

如果外電場不均勻,除受力矩外,電偶極子還要受到平移作用。電偶極子產生的電場是構成它的正(positive)、負(negative)點電荷產生的電場之矢量和。

數學表述


電偶極矩
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):
式中矢量和的方向被規定為由負電荷指向正電荷
國際單位制(SI)中,電偶極矩的量綱是,單位是。
微觀物理學中常用的單位為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:
所謂遠方是指。
電偶極子產生的電場
電偶極子產生的電場
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
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
在外場中電偶極子還會受到力矩,
以上兩式中的電場強度都是指去除電偶極子自身場強后剩餘的電場。
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
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

分類及應用


電偶極子輻射示意圖
電偶極子輻射示意圖
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。
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(例如振蕩偶極子)的概念。

推廣


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,時,就是點電荷;,就是電偶極子;,稱為四極子;,統稱為高階多極子。高階多極子模型應用於核物理,其中最重要的是四極子。任意點電荷集合或任意分佈電荷,如果能夠用一個球麵包圍,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。