In der Physik gibt es mehrere Arten von Dipolen:

• Ein elektrischer Dipol ist eine Trennung von positiven und negativen Anklagen. Das einfachste Beispiel davon ist ein Paar von elektrischen Anklagen des gleichen Umfangs, aber entgegengesetzten Zeichens, das von einigen (gewöhnlich getrennt ist, klein) Entfernung. Ein dauerhafter elektrischer Dipol wird einen electret genannt.
• Ein magnetischer Dipol ist ein geschlossener Umlauf des elektrischen Stroms. Ein einfaches Beispiel davon ist eine einzelne Schleife der Leitung mit einem unveränderlichen Strom, der dadurch fließt.
• Ein Fluss-Dipol ist eine Trennung eines Beckens und einer Quelle. In einem hoch klebrigen Medium verursacht ein Zwei-Schläger-Küchenmixer ein Dipolfluss-Feld.
• Ein akustischer Dipol ist die schwingende Version davon. Ein einfaches Beispiel ist ein Dipolsprecher.
• Jeder Skalar oder anderes Feld können einen Dipolmoment haben.

Dipole können vor ihrem Dipolmoment, einer Vektor-Menge charakterisiert werden. Für den einfachen elektrischen Dipol, der oben gegeben ist, weist der elektrische Dipolmoment von der negativen Anklage zur positiven Anklage hin, und hat einen Umfang, der der Kraft jeder Anklage Zeiten die Trennung zwischen den Anklagen gleich ist. (Um genau zu sein: Für die Definition des Dipolmoments sollte man immer die "Dipolgrenze" denken, wo z.B die Entfernung der Erzeugen-Anklagen zu 0 zusammenlaufen sollte, während gleichzeitig die Anklage-Kraft zur Unendlichkeit auf solche Art und Weise abweichen sollte, dass das Produkt eine positive Konstante bleibt.)

Für die aktuelle Schleife weist der magnetische Dipolmoment durch die Schleife (gemäß der Griff-Regel der rechten Hand) mit einem Umfang hin, der dem Strom in den Schleife-Zeiten das Gebiet der Schleife gleich ist.

Zusätzlich zu aktuellen Schleifen hat das Elektron, unter anderen grundsätzlichen Partikeln, einen magnetischen Dipolmoment. Das ist, weil es ein magnetisches Feld erzeugt, das dazu identisch ist, das durch eine sehr kleine aktuelle Schleife erzeugt ist. Jedoch, zum besten von unseren Kenntnissen, ist der magnetische Moment des Elektrons nicht wegen einer aktuellen Schleife, aber ist stattdessen ein inneres Eigentum des Elektrons. Es ist auch möglich, dass das Elektron einen elektrischen Dipolmoment hat, obwohl das noch nicht beobachtet worden ist (sieh elektrischen Elektrondipolmoment für mehr Information).

Ein dauerhafter Magnet, wie ein Bar-Magnet, schuldet seinen Magnetismus zum inneren magnetischen Dipolmoment des Elektrons. Die zwei Enden eines Bar-Magnets werden Pole genannt (um mit Monopolen nicht verwirrt zu sein), und werden "Norden" und "Süden" etikettiert. Der Dipolmoment des Bar-Magnets weist aus seinem magnetischen Süden in seinen magnetischen Nordpol hin. Der Nordpol eines Bar-Magnets in einem Kompass spitzt Norden an. Jedoch bedeutet das, dass der geomagnetic Nordpol der Erde der Südpol seines Dipolmoments, und umgekehrt ist.

Die einzigen bekannten Mechanismen für die Entwicklung von magnetischen Dipolen sind durch aktuelle Schleifen oder mit dem Quant mechanische Drehung, seitdem die Existenz von magnetischen Monopolen nie experimentell demonstriert worden ist.

Der Begriff kommt aus dem griechischen δίς (dis), "zweimal" und  (pòlos), "Achse".

Klassifikation

Ein physischer Dipol besteht aus zwei gleichen und entgegengesetzten Punkt-Anklagen: im wörtlichen Sinne, zwei Pole. Sein Feld in großen Entfernungen (d. h., Entfernungen, die im Vergleich mit der Trennung der Pole groß sind), hängt fast völlig vom Dipolmoment, wie definiert, oben ab. Ein Punkt (elektrischer) Dipol ist die erhaltene Grenze, indem er die Trennung zu 0 neigen lässt, während er den Dipolmoment befestigt hält. Das Feld eines Punkt-Dipols hat eine besonders einfache Form, und der Begriff des Auftrags 1 in der Mehrpol-Vergrößerung ist genau das Punkt-Dipolfeld.

Obwohl es keine bekannten magnetischen Monopole in der Natur gibt, gibt es magnetische Dipole in der Form der mit dem Quant mechanischen Drehung, die mit Partikeln wie Elektronen vereinigt ist (obwohl die genaue Beschreibung solcher Effekten außerhalb des klassischen Elektromagnetismus fällt). Ein theoretischer magnetischer Punkt-Dipol hat ein magnetisches Feld genau derselben Form wie das elektrische Feld eines elektrischen Punkt-Dipols. Eine sehr kleine Strom tragende Schleife ist ungefähr ein magnetische Punkt-Dipol; der magnetische Dipolmoment solch einer Schleife ist das Produkt des aktuellen Fließens in der Schleife und (Vektor) Gebiet der Schleife.

Jede Konfiguration von Anklagen oder Strömen hat einen 'Dipolmoment', der den Dipol beschreibt, dessen Feld die beste Annäherung in großen Entfernungen zu dieser der gegebenen Konfiguration ist. Das ist einfach ein Begriff in der Mehrpol-Vergrößerung, wenn die Gesamtanklage ("Monopol-Moment") 0 ist — wie es immer für den magnetischen Fall ist, da es keine magnetischen Monopole gibt. Der Dipolbegriff ist der dominierende in großen Entfernungen: Sein Feld geht im Verhältnis zu 1/r, verglichen mit 1/r für das folgende (Quadrupol) Begriff und höhere Mächte von 1/r für höhere Begriffe oder 1/r für den Monopol-Begriff zurück.

Molekulare Dipole

Viele Moleküle haben solche Dipolmomente wegen des ungleichförmigen Vertriebs von positiven und negativen Anklagen auf den verschiedenen Atomen. Solcher ist mit polaren Zusammensetzungen wie Wasserstofffluorid (HF) der Fall, wo Elektrondichte ungleich zwischen Atomen geteilt wird. Deshalb ist ein Dipol eines Moleküls ein elektrischer Dipol mit einem innewohnenden elektrischen Feld, das mit einem magnetischen Dipol nicht verwirrt sein sollte, der ein magnetisches Feld erzeugt.

Ein Molekül mit einem dauerhaften Dipolmoment wird ein polares Molekül genannt. Ein Molekül wird polarisiert, wenn es einen veranlassten Dipol trägt. Der physische Chemiker Peter J. W. Debye war der erste Wissenschaftler, um molekulare Dipole umfassend, und demzufolge zu studieren, Dipolmomente werden in genanntem debye von Einheiten in seiner Ehre gemessen.

In Bezug auf Moleküle gibt es drei Typen von Dipolen:

• Dauerhafte Dipole: Diese kommen vor, wenn zwei Atome in einem Molekül wesentlich verschiedene Elektronegativität haben: Ein Atom zieht Elektronen mehr an als ein anderer, negativer werdend, während das andere Atom positiver wird. Sieh Dipoldipol-Attraktionen.
• Sofortige Dipole: Diese kommen wegen der Chance vor, wenn Elektronen zufällig in einem Platz konzentrierter sind als ein anderer in einem Molekül, einen vorläufigen Dipol schaffend. Sieh sofortigen Dipol.
• Veranlasste Dipole: Diese können vorkommen, wenn ein Molekül mit einem dauerhaften Dipol die Elektronen eines anderen Moleküls zurücktreibt, einen Dipolmoment in diesem Molekül "veranlassend". Sieh Anziehungskraft des veranlassten Dipols.

Mehr allgemein wird ein veranlasster Dipol jedes Polarizable-Anklage-Vertriebs ρ (erinnern sich, dass ein Molekül einen Anklage-Vertrieb hat), durch ein elektrisches zu ρ äußerliches Feld verursacht. Dieses Feld kann zum Beispiel aus einem Ion oder polarem Molekül in der Nähe von ρ entstehen oder kann (z.B, ein Molekül zwischen den Tellern eines beladenen Kondensators) makroskopisch sein. Die Größe des veranlassten Dipols ist dem Produkt der Kraft des gleich

Außenfeld und die Dipolpolarisierbarkeit von ρ.

Typische Gasphase-Werte einiger chemischer Zusammensetzungen in debye Einheiten:

• Kohlendioxyd: 0
• Kohlenmonoxid: 0.112
• Ozon: 0.53
• phosgene: 1.17
• Wasserdampf: 1.85
• Wasserstoffzyanid: 2.98
• cyanamide: 4.27
• Kalium-Bromid: 10.41

Diese Werte können beim Maß der dielektrischen Konstante erhalten werden. Wenn die Symmetrie eines Moleküls einen Nettodipolmoment annulliert, wird der Wert an 0 gesetzt. Die höchsten Dipolmomente sind im Rahmen 10 bis 11. Vom Dipol kann Moment-Information über die molekulare Geometrie des Moleküls abgeleitet werden. Zum Beispiel illustrieren die Daten, dass Kohlendioxyd ein geradliniges Molekül ist, aber Ozon ist nicht.

Quant mechanischer Dipolmaschinenbediener

Denken Sie eine Sammlung von N Partikeln mit Anklagen q und Positionsvektoren r. Zum Beispiel kann diese Sammlung ein Molekül sein, das aus Elektronen, allen mit der Anklage e und den Kernen mit der Anklage eZ besteht, wo Z die Atomnummer von mir Kern ist.

Die physische Menge (erkennbarer) Dipol hat das Quant mechanischer Dipolmaschinenbediener:

:

Atomdipole

Ein nichtdegenerierter (S-Staat) Atom kann nur einen dauerhaften Nulldipol haben. Diese Tatsache folgt Quant mechanisch von der Inversionssymmetrie von Atomen. Alle 3 Bestandteile des Dipolmaschinenbedieners sind unter der Inversion in Bezug auf den Kern, antisymmetrisch

:

wo der Dipolmaschinenbediener ist und der Inversionsmaschinenbediener ist.

Der dauerhafte Dipolmoment eines Atoms in einem nichtdegenerierten Staat (sieh degeneriertes Energieniveau), wird als die Erwartung (Durchschnitt) Wert des Dipolmaschinenbedieners, gegeben

:

\langle \mathfrak {p} \rangle = \langle \, S \, | \mathfrak {p} | \, S \, \rangle,

</Mathematik>

wo ein S-Staat, nichtdegeneriert, wavefunction, der ist

ist

symmetrisch oder unter der Inversion antisymmetrisch:.

Da das Produkt des wavefunction (im ket) und sein Komplex verbunden (im Büstenhalter) immer unter der Inversion und seinem Gegenteil, symmetrisch

ist:

\langle \mathfrak {p} \rangle = \langle \, \mathfrak {ich} ^ {-1 }\\, S \, | \mathfrak {p} | \, \mathfrak {ich} ^ {-1 }\\, S \, \rangle

= \langle \, S \, | \mathfrak {ich }\\, \mathfrak {p} \, \mathfrak {ich} ^ {-1} | \, S \, \rangle =-\langle \mathfrak {p} \rangle

</Mathematik>

hieraus folgt dass der Erwartungswert Zeichen unter der Inversion ändert. Wir haben hier die Tatsache das verwendet

, ein Symmetrie-Maschinenbediener zu sein, ist einheitlich:

und definitionsgemäß

Hermitian adjoint kann vom Büstenhalter bis ket bewegt werden und wird dann.

Da die einzige Menge, die minus sich gleich ist, die Null ist, verschwindet der Erwartungswert,

:

\langle \mathfrak {p }\\rangle = 0.

</Mathematik>

Im Fall von Atomen der offenen Schale mit degenerierten Energieniveaus konnte man einen Dipolmoment durch die Hilfe der ersten Ordnung Steife Wirkung definieren. Das gibt einen nichtverschwindenden Dipol (definitionsgemäß proportional zu einer nichtverschwindenden ersten Ordnung Völlig bewegen sich) nur, wenn einige der wavefunctions, die den degenerierten Energien gehören, entgegengesetzte Gleichheit haben; d. h., haben Sie verschiedenes Verhalten unter der Inversion. Das ist ein seltenes Ereignis, aber geschieht für das aufgeregte H-Atom, wo 2s und 2-Punkt-Staaten "zufällig" degeneriert sind (sieh diesen Artikel für den Ursprung dieser Entartung), und haben Sie entgegengesetzte Gleichheit (2s ist sogar, und 2 Punkte ist seltsam).

Feld eines statischen magnetischen Dipols

Umfang

Die Fernbereich-Kraft, B, eines Dipols magnetisches Feld wird durch gegeben

:wo

:B ist die Kraft des Feldes, das in teslas gemessen ist

:r ist die Entfernung vom Zentrum, das in Metern gemessen ist

:λ ist die magnetische Breite (gleich 90 °  θ), wo θ der magnetische colatitude ist, der in radians oder Graden von der Dipolachse gemessen ist

:m ist der Dipolmoment (VADM=virtual axialer Dipolmoment), gemessen in Ampere-Quadratmetern (A · m), der Joule pro tesla gleichkommt

:μ ist die Durchdringbarkeit des freien Raums, der in henries pro Meter gemessen ist.

Die Konvertierung zu zylindrischen Koordinaten wird mit und erreicht

:

wo ρ die rechtwinklige Entfernung von der Z-Achse ist. Dann,

:

Vektor-Form

Das Feld selbst ist eine Vektor-Menge:

:wo

:B ist das Feld

:r ist der Vektor von der Position des Dipols zur Position, wo das Feld gemessen wird

:r ist der absolute Wert von r: die Entfernung vom Dipol

: ist die Einheitsvektor-Parallele zu r;

:m ist (Vektor) Dipolmoment

:μ ist die Durchdringbarkeit des freien Raums

:δ ist die dreidimensionale Delta-Funktion.

Das ist genau das Feld eines Punkt-Dipols, genau der Dipolbegriff in der Mehrpol-Vergrößerung eines willkürlichen Feldes, und ungefähr des Feldes jeder dipolähnlichen Konfiguration in großen Entfernungen.

Magnetisches Vektor-Potenzial

Das Vektor-Potenzial eines magnetischen Dipols ist

:

mit denselben Definitionen wie oben.

Feld von einem elektrischen Dipol

Durch das elektrostatische Potenzial an der Position r wegen eines elektrischen Dipols am Ursprung wird gegeben:

:wo

: ist ein Einheitsvektor in der Richtung auf r' ist p (Vektor) Dipolmoment, und ε der permittivity des freien Raums ist.

Dieser Begriff erscheint als der zweite Begriff in der Mehrpol-Vergrößerung eines willkürlichen elektrostatischen Potenzials Φ (r). Wenn die Quelle von Φ (r) ein Dipol ist, wie es hier angenommen wird, ist dieser Begriff der einzige nichtverschwindende Begriff in der Mehrpol-Vergrößerung von Φ (r). Das elektrische Feld von einem Dipol kann vom Anstieg dieses Potenzials gefunden werden:

:

wo E das elektrische Feld ist und δ die 3-dimensionale Delta-Funktion ist. Das ist zum magnetischen H Feld eines Punkts magnetischer Dipol mit nur einigen geänderten Namen formell identisch.

Drehmoment auf einem Dipol

Da die Richtung eines elektrischen Feldes als die Richtung der Kraft auf einer positiven Anklage, elektrischer Feldlinienpunkt weg von einer positiven Anklage und zu einer negativen Anklage definiert wird.

Wenn gelegt, in ein elektrisches oder magnetisches Feld entstehen gleiche, aber entgegengesetzte Kräfte auf jeder Seite des Dipols, der ein Drehmoment τ schafft:

:

seit einem elektrischen Dipolmoment p (in Ampere-Sekunden-Metern), oder

:

seit einem magnetischen Dipolmoment M (in mit dem Ampere quadratischen Metern).

Das resultierende Drehmoment wird dazu neigen, den Dipol auf das angewandte Feld auszurichten, das im Fall von einem elektrischen Dipol, eine potenzielle Energie von nachgibt

:.

Die Energie eines magnetischen Dipols ist ähnlich

:.

Dipolradiation

Zusätzlich zu Dipolen in der Elektrostatik ist es auch üblich, einen elektrischen oder magnetischen Dipol zu denken, der rechtzeitig schwingt.

Insbesondere ein harmonisch schwingender elektrischer Dipol wird durch einen Dipolmoment der Form beschrieben

:

wo ω die winkelige Frequenz ist. Im Vakuum erzeugt das Felder:

(\hat {\\mathbf {r}} \times \mathbf {p}) \times \hat {\\mathbf {r} }\

+ \left (\frac {1} {r^3} - \frac {i\omega} {Cr^2} \right) \left [3 \hat {\\mathbf {r}} (\hat {\\mathbf {r}} \cdot \mathbf {p}) - \mathbf {p} \right] \right\} e^ {i\omega r/c} </Mathematik>

Weit weg (für) nähern sich die Felder der Begrenzungsform einer ausstrahlenden Kugelwelle:

::

der eine ausgestrahlte zeitdurchschnittliche Gesamtmacht P gegeben durch erzeugt

:

Diese Macht wird isotropisch nicht verteilt, aber wird um die Richtungen eher konzentriert, die Senkrechte zum Dipolmoment liegen.

Gewöhnlich werden solche Gleichungen durch kugelförmige Obertöne beschrieben, aber sie sehen sehr verschieden aus.

Ein Rundschreiben hat sich gespalten Dipol wird als eine Überlagerung von zwei geradlinigen Dipolen beschrieben.

Siehe auch

• Polarisationsdichte
• Dipolmodell des magnetischen Feldes der Erde
• Electret
• Dipol von indischem Ozean (ein ozeanografisches Phänomen)
• Magnetische Dipoldipol-Wechselwirkung
• Spinnen Sie magnetischen Moment
• Monopol
• Feste Obertöne
• Axiale Mehrpol-Momente
• Zylindrische Mehrpol-Momente
• Kugelförmige Mehrpol-Momente
• Vergrößerung von Laplace
• Molekularer fester

Referenzen

Links

• Ein interaktives JAVA applet das Anzeigen des Verhaltens von zweidimensionalen Dipolen.
• USGS Geomagnetism Programm
• Felder der Kraft: ein Kapitel aus einem Online-Lehrbuch
• Elektrisches Dipolpotenzial durch Stephen Wolfram und Energiedichte eines magnetischen Dipols durch Franz Krafft. Demonstrationsprojekt von Wolfram.