Lưỡng cực điện và mô men điện của nó

21

hệ thống báo cáo được phân chia. Các hệ thống báo cáo liên quan đến hiện tượng quán tính có thể được quan sát được gọi là quán tính. Tuyên bố rằng các hệ thống báo cáo như vậy tồn tại về cơ bản cấu thành nội dung của định luật quán tính.

Quán tính là gì? Về khái niệm này, nó đã được thảo luận đầy đủ chi tiết trong § 22 của Vật lý 8.
Khi hai vật tương tác với nhau, cả hai đều nhận được gia tốc, nhưng nói chung, gia tốc là khác nhau: vật này có ít hơn vật kia. Về một vật có gia tốc nhỏ hơn, chúng ta có thể nói rằng chuyển động của nó giống với chuyển động theo quán tính hơn (tại đó gia tốc bằng 0). Vì vậy, người ta nói về vật thể đó rằng nó có quán tính lớn hơn đối tác tương tác của nó. Thời gian tương tác (cả hai cơ thể là như nhau) “không đủ” để anh ta thay đổi tốc độ của mình tương đương với cơ thể kia “đã làm”. Một vật trơ hơn cần nhiều thời gian hơn để thay đổi tốc độ theo một giá trị nhất định so với vật thể trơ hơn. Vì vậy, quán tính là một tính chất của vật thể. Số lượng được biểu thị bằng khối lượng, một đại lượng lần đầu tiên được Newton đưa vào cơ học.

Lưỡng cực điện và mô men điện của nó

Phần lớn chúng ta được bao quanh bởi các vật trung hòa về điện. Tuy nhiên, sẽ sai nếu nói rằng chúng không tham gia vào các tương tác điện. Chẳng hạn, chỉ cần nhớ rằng hai điện tích đặt trong một loại chất điện môi nào đó sẽ tương tác yếu hơn trong chân không. Lý do cho điều này là các phân tử điện môi. Mặc dù chất điện môi bao gồm các phân tử trung tính nhưng chúng có khả năng tạo ra điện trường riêng, làm suy yếu tương tác điện của các điện tích.

Hãy xem xét ví dụ đơn giản nhất về hệ trung hòa điện - lưỡng cực điện. Đây là tên của một tập hợp gồm hai điện tích có độ lớn bằng nhau nhưng ngược dấu ±q, nằm cách nhau một khoảng l nhất định (hình 1).

Trường lưỡng cực. Điện trường của lưỡng cực có thể được tìm thấy ở bất kỳ điểm nào giữa chúng ta, dựa trên nguyên lý siêu điện trở (“Vật lý 9”, § 42). Ví dụ: hãy thực hiện điều này đối với điểm A (hình 2). Cường độ trường tại điểm này bằng tổng vectơ các hướng được tạo bởi các điện tích chính xác +q và -q:

$$\vec{E} = \vec{E}_+ + \vec{E}_-$$

hoặc

$$E = E_+ - E_- = \frac{kq}{(r-l/2)^2} - \frac{kq}{(r+l/2)^2} = \frac{2kql}{(r^2 - l^2/4)^2},$$

trong đó r là khoảng cách từ giữa lưỡng cực đến điểm A.

Ở khoảng cách lớn, khi r >> l, ta có

$$E = \frac{2kql}{r^3} = p \cdot \frac{2k}{r^3},$$

trong đó p =ql được gọi là mômen điện của lưỡng cực. Chính xác hơn, ql là mô đun của mômen điện lưỡng cực $\vec{p}$, và vectơ này hướng từ điện tích va đập sang điện tích dương. Mômen điện là đặc tính chính của lưỡng cực. Trong trường hợp này, nó xác định điện trường của lưỡng cực ở khoảng cách lớn so với nó.

Như có thể thấy từ biểu thức cuối cùng, cách xa lưỡng cực, hướng trường sẽ giết chết với khoảng cách là $1/r^3$, tức là nhanh hơn trường

Hình 1.
Hình 2.

22

Kiểm tra phí (tỷ lệ $1/r^2$). Điều này đúng không chỉ với những điểm nằm trên đường thẳng mà còn đúng với bất kỳ điểm nào khác đủ xa lưỡng cực.

Lưỡng cực trong điện trường. Chúng ta hãy xem một lưỡng cực hoạt động như thế nào khi được đặt trong điện trường ngoài. Đầu tiên, vào một trường đều có hướng $\vec{E}$ (hình 3). Các điện tích lưỡng cực chịu tác dụng của các lực $+q\vec{E}$ và $-q\vec{E}$ có độ lớn bằng nhau nhưng ngược hướng, có xu hướng làm quay lưỡng cực. Đối với trục đi qua tâm lưỡng cực (điểm $O$) và vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, mỗi lực tạo ra một mô men xoắn bằng tích của mô đun lực trên diện tích tương ứng (xem hình 3): $qE \cdot l/2 \sin \alpha$.

Tổng mô men xoắn sẽ bằng

$$M = 2qE \frac{l}{2} \sin \alpha = qlE \sin \alpha = p \cdot E \sin \alpha.$$

Do đó, đối với các giá trị cho trước của $E$ và $\alpha$, mômen quay $M$ được xác định bởi độ lớn của mômen lưỡng cực $p$.

Hình 4.

Hình 5.

Dưới tác dụng của mô men xoắn, lưỡng cực sẽ quay cho đến khi đạt vị trí như hình hình 3 đường đứt nét. Ở vị trí này, cả tổng lực và tổng mômen của các lực tác dụng lên lưỡng cực đều bằng không. Điều này có nghĩa là lưỡng cực ở trạng thái cân bằng. Trong trường hợp này, mô men điện của lưỡng cực gắn liền với vectơ hướng trường.

Do đó, trong điện trường ngoài đều, lưỡng cực quay và định vị sao cho mô men lưỡng cực của nó định hướng dọc theo điện trường. Lưu ý rằng vị trí này là vị trí cân bằng ổn định của nó.

Bây giờ lưỡng cực ở trong một trường ngoài không đồng nhất. Tất nhiên, ở đây cũng sẽ xuất hiện một mômen quay, làm lưỡng cực quay dọc theo trường (hình 4). Nhưng trong trường hợp này, các điện tích chịu tác dụng của các lực có độ lớn không bằng nhau, lực tương đương khác 0. Do đó, lưỡng cực cũng sẽ chuyển động dần dần, bị hút vào vùng của trường mạnh (bạn hãy tự mình xem điều này).

Lưỡng cực trong tự nhiên. Các phân tử nhiều đuôi tương tự như các lưỡng cực điện - các điện tích dương và âm có độ lớn bằng nhau được phân tách trong không gian. Ví dụ về các phân tử lưỡng cực như vậy là các phân tử axit clohydric HCl, bao gồm các ion hydro dương ($\text{H}^+$) và các ion clo âm ($\text{Cl}^-$). Các phân tử của chất phổ biến nhất trên trái đất - nước $\text{H}_2\text{O}$ bao gồm hai ion hydro dương và một ion oxy âm (hình 5). Mặc dù đây là những hệ không phải hai mà là ba điện tích, nhưng chúng hoạt động giống như các lưỡng cực điện - tâm của điện tích dương nằm cách tâm điện tích âm một khoảng nhất định và tổng điện tích dương có độ lớn bằng tổng điện tích âm.

Ngoài ra còn có những chất trong đó các phân tử trong điều kiện bình thường không phải là lưỡng cực, vì tâm điện tích dương và tâm điện tích âm trong chúng trùng nhau. Nhưng trong điện trường ngoài, các điện tích trái dấu dịch chuyển một chút -