Диполь в физике и технике¶
Диполь — в физике и технике идеализированная модель или реальная система из двух равных по величине и противоположных по знаку (либо направлению) источников поля, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Понятие применяется к электрическим, магнитным, акустическим и радиотехническим системам; ключевыми характеристиками служат величина каждого «полюса» и расстояние между ними — плечо диполя.
¶Общее определение
В строгом смысле диполем называют совокупность двух точечных зарядов +q и −q, разнесённых на расстояние l. Основная характеристика — дипольный момент p = q·l, вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному. Если расстояние между зарядами мало по сравнению с расстоянием до точки наблюдения, систему рассматривают как точечный (идеальный) диполь: его поле убывает с расстоянием быстрее, чем поле одиночного заряда, — пропорционально кубу расстояния.
¶Электрический диполь
Электрический диполь — простейшая модель нейтральной в целом системы зарядов. Примеры: молекула воды, молекула углекислого газа в колебательном состоянии, полярные диэлектрики. Во внешнем электрическом поле диполь испытывает момент сил, стремящийся развернуть его вдоль поля, и втягивается в область сильного поля. Эти свойства лежат в основе поведения полярных диэлектриков: их молекулы ориентируются, что приводит к поляризации вещества.
Поле электрического диполя описывается формулами, зависящими от угла между осью диполя и направлением на точку наблюдения. На оси диполя напряжённость поля вдвое больше, чем в экваториальной плоскости на том же расстоянии.
¶Магнитный диполь
Магнитный диполь — аналог электрического: модель замкнутого контура с током или постоянного магнита. Его характеристика — магнитный момент. Магнитное поле Земли приближённо описывается полем диполя, ось которого наклонена к оси вращения планеты примерно на 11°. Рамка с током во внешнем магнитном поле ведёт себя как магнитная стрелка: поворачивается, ориентируясь по полю. На этом основаны работа компаса, принцип действия электродвигателей и магнитометров.
¶Диполь в радиотехнике и антеннах
В антенной технике диполем называют простейшую симметричную антенну — два проводника равной длины, питаемые в центре. Полуволновый вибратор (диполь длиной около половины длины волны) — базовая модель, из которой строятся более сложные антенны. Диаграмма направленности горизонтального диполя в свободном пространстве имеет вид «восьмёрки»: максимум излучения — перпендикулярно оси, минимум — вдоль неё. Из диполей собирают антенные решётки, директорные антенны, элементы которых питаются с определённым сдвигом фаз.
¶Акустический диполь
В акустике диполь — источник, создающий два противофазных колебания (например, колеблющаяся пластинка без изменения объёма). Такой излучатель обладает направленностью в виде «восьмёрки» и низкой эффективностью на низких частотах по сравнению с монополем. Акустические диполи встречаются в моделях шума, излучаемого потоком, и в расчётах звукоизоляции.
¶Дипольные моменты в химии и физике молекул
В химии дипольный момент молекулы — количественная мера её полярности, измеряется в дебаях (D). У воды он около 1,85 D, у аммиака — около 1,47 D, у симметричных молекул (метан, углекислый газ) он равен нулю. Дипольные моменты определяют растворимость, температуры кипения, диэлектрическую проницаемость веществ. Метод дипольных моментов используется для установления геометрии молекул.
¶Диполь-дипольное взаимодействие
Два диполя взаимодействуют друг с другом: энергия зависит от взаимной ориентации и расстояния, убывая как 1/r³. Это взаимодействие объясняет притяжение полярных молекул, ориентационную поляризацию, силы Ван-дер-Ваальса. В физике плазмы и физике твёрдого тела диполь-дипольные взаимодействия учитываются при описании сегнетоэлектриков, спиновых систем, экситонов.
¶Применение
- Антенны связи, радиовещания, телевидения.
- Диэлектрики и конденсаторы, где поляризация определяется дипольными моментами молекул.
- Магнитометрия и навигация (модель магнитного поля Земли).
- Спектроскопия: правила отбора для переходов связаны с изменением дипольного момента.
- Микроволновая техника: дипольные излучатели и рассеиватели.
¶Интересные факты
- Молекула воды — один из самых известных природных диполей; именно полярностью объясняется её высокая диэлектрическая проницаемость и способность растворять ионные соединения.
- Магнитное поле Земли за миллионы лет многократно меняло полярность — инверсии фиксируются по намагниченности горных пород.
- Полуволновый диполь — исторически одна из первых антенн, применённых в радиосвязи в конце XIX — начале XX века.
Источники: учебники по общей физике (И. В. Савельев, Д. В. Сивухин), курсы по электродинамике и антеннам, справочники по физической химии.