8)Электрический диполь и его поведение во внешнем однородном и неоднородном полях!!!
Диполь
(от Ди... и греч. pólos — полюс)
электрический, совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Основной характеристикой электрического Д. является его дипольный момент — вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному (рис. 1) и численно равный произведению заряда е на расстояние l между зарядами: р = el. Дипольный момент определяет электрическое поле Д. на большом расстоянии R от Д. (R»l), а также воздействие на Д. внешнего электрического поля.
Вдали от Д. его электрическое поле Е убывает с расстоянием как 1/R3, т. е. быстрее, чем поле точечного заряда (Диполь 1/R2). Компоненты напряжённости поля Е вдоль оси Д. (Ep) и в направлении, перпендикулярном к р (E┴), пропорциональны дипольному моменту и в системе единиц СГС (Гаусса) равны:
где ϑ — угол между р и радиусом-вектором R точки пространства, в которой измеряется поле Д.; полная напряжённость
Т. о., на оси Д. при ϑ = 0 напряжённость поля вдвое больше, чем при ϑ = 90°; при обоих этих углах оно имеет только компоненту Ep, причём при ϑ = 0 её направление параллельно р, а при ϑ = 90° — антипараллельно (рис. 2).
Действие внешнего электрического поля на Д. также пропорционально величине его дипольного момента. Однородное поле создаёт вращающий момент М = pE sinα (α — угол между вектором напряжённости внешнего электрического поля Е и дипольным моментом р; рис. 3), стремящийся повернуть Д. так, чтобы его дипольный момент был направлен по полю. В неоднородном электрическом поле на Д., кроме вращающего момента, действует также сила, стремящаяся втянуть Д. в область более сильного поля (рис. 4).
Электрическое поле любой нейтральной в целом системы на расстояниях, значительно больших её размеров, приближённо совпадает с полем эквивалентного Д. — электрического Д. с таким же дипольным моментом, как и у системы зарядов (т. е. поле на больших расстояниях от системы нечувствительно к деталям распределения зарядов). Поэтому во многих случаях электрический Д. является хорошим приближением для описания такой системы на больших по сравнению с её размерами расстояниях. Например, молекулы многих веществ можно приближённо рассматривать как электрический Д. (в простейшем случае это молекулы из двух ионов с зарядами противоположных знаков); атомы и молекулы во внешнем электрическом поле, несколько раздвигающем их положительные и отрицательные заряды, приобретают индуцированный (наведённый полем) дипольный момент и становятся микроскопическими Д. (см., например, Диэлектрики).
Электрический Д. с изменяющимся во времени дипольным моментом (вследствие изменения его длины l или зарядов e) является источником электромагнитного излучения (см. Герца вибратор).
Рис. 1. Электрический диполь: заряды -е и +е на расстоянии l друг от друга. Дипольный момент диполя р = el полностью определяет электрическое поле диполя на расстояниях R>>I.
Рис.
2. Электрическое поле диполя, изображенное
с помощью силовых линий. В точке наблюдения
А, находящейся на расстоянии R от центра
диполя (R>>l),
поле Е (направленное по касательной к
силовой линии) разложено на 2 компоненты:
Ep —
параллельную оси диполя и E
Рис. 3. На диполь в однородном внешнем электрическом поле Е действует пара сил (-F, +F), которая создаёт вращающий момент, стремящийся повернуть диполь в направлении поля.
Рис. 4. Электрический диполь в неоднородном электрическом поле Е в частном случае, когда момент диполя p направлен по полю (сгущению силовых линий соответствует большая напряжённость поля). F1, F2 — силы, действующие со стороны поля на заряды +е и -e: F2>F1 и результирующая сила F=F2-F1 стремится переместить диполь в область большей напряжённости внешнего поля.
Рис. 5. Магнитный момент кругового тока.
Рис. 6. Магнитное поле вблизи кругового тока I (а) и магнитного диполя (б); на больших расстояниях поля́ одинаковы.