Электрический диполь

Электри́ческий дипо́ль, в простейшем случае система из двух равных по величине и противоположных по знаку точечных электрических зарядов, находящихся на некотором расстоянии ${\displaystyle {l}}$ друг от друга. Основной характеристикой электрического диполя является дипольный момент ${\displaystyle {\boldsymbol {p}}}$ – вектор, направленный от отрицательного заряда ${\displaystyle {-q}}$ к положительному ${\displaystyle {+q}}$ и численно равный произведению ${\displaystyle {q\cdot l}}$. В случае произвольной системы точечных зарядов дипольный момент получается суммированием по всем зарядам произведений заряда на его радиус-вектор.

Если система электронейтральна, т. е. её суммарный электрический заряд равен нулю, то дипольный момент не зависит от того, в какой точке пространства помещено начало отсчёта системы координат. В этом случае отличие дипольного момента от нуля указывает на то, что заряды в системе распределены несферически-симметрично: есть области пространства с преобладанием отрицательных зарядов и области пространства с преобладанием положительных зарядов. Когда система зарядов не электронейтральна, электрический дипольный момент зависит от выбора начала отсчёта системы координат и уже не служит показателем меры отклонения распределения зарядов от сферически-симметричного. В этом случае существует точка пространства, поместив в которую начало отсчёта системы координат, можно обратить в нуль электрический дипольный момент, это т. н. центр заряда.

Поле электрического диполя на расстояниях, бо́льших по сравнению с линейными размерами занятой зарядами области, с ростом расстояния ${\displaystyle {R}}$ убывает обратно пропорционально ${\displaystyle {R}^{3}}$. В специально выбранных координатах компоненты напряжённости поля ${\displaystyle {E}}$ вдоль оси электрического диполя ${\displaystyle {(E_{p})}}$ и в перпендикулярном направлении ${\displaystyle {(E_{\perp })}}$ (см. рисунок) пропорциональны ${\displaystyle {\boldsymbol {p}}}$ и в гауссовой системе единиц равны:

${\displaystyle {E_{p}={\frac {p}{R^{3}}}(3cos^{2}\vartheta -1)},}$ (1)

${\displaystyle {E_{\perp }={\frac {p}{R^{3}}}(3cos\cdot \vartheta {sin\vartheta })}}$ (2)

где ${\displaystyle {\theta }}$ – угол между ${\displaystyle {\boldsymbol {p}}}$ и радиус-вектором ${\displaystyle {R}}$.

Во внешнем электрическом поле на электрический диполь действует вращательный момент сил, стремящийся повернуть вектор дипольного момента вдоль вектора внешнего поля. Если внешнее поле неоднородно, т. е. его напряжённость различна в разных точках системы зарядов, то на диполь действует ещё и сила, стремящаяся переместить его в область более сильного поля. Действие внешнего электрического поля на диполь также пропорционально ${\displaystyle {\boldsymbol {p}}}$. Многие молекулы имеют отличный от нуля электрический дипольный момент. Именно в результате взаимодействия дипольных моментов молекул вещества и образуются молекулярные кристаллы.

Во многих случаях электрический диполь является хорошим приближением для описания любой электронейтральной в целом системы на расстояниях, значительно превышающих размеры системы. Например, полярные молекулы можно приближённо рассматривать как электрические диполи. Атомы, неполярные молекулы и ионы в электрическом поле приобретают дипольный момент, т. к. составляющие их частицы несколько смещаются под действием внешнего поля.

Электрический диполь с изменяющимся во времени дипольным моментом излучает электромагнитные волны (см. Дипольное излучение).