电偶极矩

称相距为 的一对等量异号点电荷 和 组成的系统为电偶极子。其特征量为电偶极矩(简称电矩):[1]

式中矢量 和 的方向被规定为由负电荷指向正电荷。

在国际单位制(SI)中,电偶极矩的量纲是 ,单位是 。

微观物理学中常用的单位为debye,符号为D; ,它相当于典型分子内部核间距离的十分之一(约 )同一个电子的电荷 的乘积。

电偶极子产生的电场

中心位于坐标系原点的电偶极子在其远方产生的电势为:[1]

所谓远方是指 。

电偶极子产生的电场

此式求梯度,即得位于原点的电偶极子在远方产生的电场强度:

外电场中的电偶极子

电偶极子仅在非均匀外电场中受非零合力。其所受合力为[1]

在外场中电偶极子还会受到力矩,[2]

以上两式中的电场强度都是指去除电偶极子自身场强后剩余的电场。

从第二式可以看出, 的量值也就是电偶极子在单位外电场下可能受到的最大力矩,故电偶极矩也称电矩。

偶极子间的相互作用

如果偶极子 处于另一偶极子 产生的电场 中,则 的电势能即相互作用能为

实际生活多见的电偶极子体系是具有偶极矩的电介质分子。有一类电介质分子的正、负电荷中心不重合,自身形成电偶极子,称为极性分子;另一类电介质分子的正、负电荷中心重合,称为非极性分子,但在外电场作用下,两个电荷中心会相互偏移,所以也形成电偶极子。[2] 电偶极子辐射示意图

电偶极子是电介质理论和原子物理学的重要模型,研究从稳恒到X光频电磁场作用下电介质的色散和吸收,以及天线的辐射等现象,都要用到偶极子(例如振荡偶极子 )的概念。

将偶极子概念加以推广,可有多极子,它是含有 个大小相等的点电荷,其中正负各半数,排列成有规律的点阵。在多极子系列中,n=0时,就是点电荷;n=1,就是电偶极子;n=2,称为四极子;n≥2,统称为高阶多极子。高阶多极子模型应用于核物理,其中最重要的是四极子。任意点电荷集合或任意分布电荷,如果能够用一个球面包围,则球外的电势可用集中在球心的点多极子系列的电势之和表示,该操作称为电场的多极展开。

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