Электрический диполь. Физика, 10 класс. Электродинамика

При изучении физики в 10 классе рассматривается тема о диполях. Что означает это понятие и какие формулы применяются для его расчета?

Введение

Если поместить диполь в пространство однородного электрического поля, можно представить его как силовые линии. Диполь является системой, в которой присутствуют два заряда, одинаковые по параметрам, но они являются разноименными точечными. Причем расстояние между ними будет намного меньше, чем расстояние до любой точки дипольного поля. Понятие дипольного момента изучает школьный курс электродинамики (10 класс).

Ось диполя – это прямая, которая проходит через точки обоих зарядов. Дипольное плечо – вектор, который соединяет заряд и при этом направляется от отрицательно заряженных частиц к частицам положительно заряженным. Для электрического диполя характерно наличие такого состояния, как дипольный или электрический моменты.

По определению дипольным моментом является вектор, который численно равен произведению дипольного заряда на его плечо. Причем он сонаправлен с плечом диполя. При нулевом равенстве суммы сил подсчитаем значение момента. Для угла, который существует между дипольным моментом и направленностью электрического поля, свойственно присутствие механического момента.

Часто люди затрудняются произвести вычисления модуля, действующего на структуру диполя. Здесь необходимо учитывать особенности вычисления угла "Альфа". Известно, что диполь отклоняется от уравновешенного положения. Но сам дипольный момент отличается возвращающим характером, так как склонен находится в движении.

Расчеты

При помещении этого дипольного момента в среду неоднородного электрического поля неизбежно возникает воздействие силы. В такой среде показатели суммы сил не будут нулевыми. Следовательно, имеются силы, действующие на дипольный момент с точечным характером. Размер дипольного плеча намного меньше.

Формула может быть записана так: F=q (E2 - E1) = qdE, где d является дифференциалом электрического поля.

Поиск характеристик изучаемого физического понятия

Рассмотрим тему далее. Для того чтобы определить, какова характеристика электрического поля, если оно создается с помощью системы зарядов и локализуется в небольшом пространстве, необходимо произвести ряд вычислний. Пример представлен атомами и молекулами, которые в своём составе имеют электрически заряженные ядра и электроны.

При необходимости поиска поля на расстоянии, большем, чем размеры, которые составляют область расположения частиц, воспользуемся рядом точных формул, которые отличаются высокой сложностью. Есть возможность использовать более простые приближенные выражения. Допустим, в создании электрического поля принимают участие точечные наборы зарядов q_k. Они расположены на небольшом пространстве.

Чтобы выполнить вычисления характеристики, которую имеет поле, допускается объединение всех зарядов системы. Такая система рассматривается в виде точечного заряда Q. Показатели величины будут составлять сумму зарядов, которые были в исходной системе.

Местоположение зарядов

Представим, что расположение заряда указано в любом месте, где находится система зарядов q_k. При выполнении изменений месторасположения, если оно имеет пределы, выраженные малой областью, такое влияние будет незначительным, почти не заметным для поля в точке рассмотрения. В таких пределах приближения напряженности и потенциала, которые есть у электрического поля, производятся определения с применением традиционных формул.

При нулевой сумме суммарного заряда системы, параметры указного приближения будут выглядеть грубо. Это даёт повод сделать вывод, что электрическое поле попросту отсутствует. При необходимости получения более точного приближения мысленно собирают отдельные группы положительных и отрицательных зарядов той системы, которая рассматривается.

В случае смещения их «центров» относительно других, параметры поля в такой системе можно описать в виде поля, которое располагает двумя точечными зарядами, равными по величине и противоположными по знаку. При этом отмечается, что они смещены по отношению к другим. Для предоставления более точной характеристики системы зарядов по параметрам этого приближения потребуется изучить свойства диполя в электрическом поле.

Введение термина

Вернемся к определению. Электрический диполь - это определение системы, которая имеет два точечных заряда. Они имеют одинаковую величину и противоположные знаки. Причем такие знаки расположены на малых расстояниях относительно других знаков.

Можно рассчитать характеристику процесса, который создается посредством диполя, и он представлен двумя точечными зарядами: +q и −q, причем они расположены на расстоянии a относительно других.

Последовательность выполнения вычислений

Начнем с того, что вычислим потенциал и напряженность, имеющиеся у диполя на осевой его поверхности. Это прямая линия, которая проходит между двумя зарядами. При условии расположения точки A на расстоянии, которое равно r относительно центральной части диполя, и если это r >> a, по принципу суперпозиции для потенциала поля в данной точке будет рационально применение выражения для вычисления параметров электрического диполя.

Величина, которую имеет вектор напряженности, вычисляется по принципу суперпозиции.
Для вычисления напряженности поля используется понятие соотношения потенциала и напряженности поля:

E_x = −Δφ /Δx.

В таких условиях направление вектора напряженности указано продольно относительно оси диполя. Для расчета его модуля применима стандартная формула.

Важные уточнения

Нужно учитывать, что ослабевание поля электрического диполя происходит быстрее, чем это испытывает точечный заряд. Убывание потенциала поля диполя происходит в обратно пропорциональном направлении относительно квадрата расстояния, а напряженности поля - в обратно пропорциональном направлении относительно куба расстояния.

С применением аналогичных, но более громоздких способов, находятся параметры потенциала и напряженности поля диполя на произвольных точках, параметры положения которых определяются с использованием такого способа вычисления, как полярные координаты: расстояние до центра электрического диполя (r) и угла (θ).

Вычисления с использованием вектора напряженности

Понятие вектор напряженности E делится на два пункта:

• Радиальная (E_r ), которая направлена в продольном направлении относительно прямой.
• Такая прямая соединяет указанную точку и центр диполя с перпендикулярной ей E_θ.

Такое разложение каждого компонента направлено вдоль курса изменения, которое происходит со всеми координатами точки для наблюдения. Найти его можно по соотношению, которое связывает показатели напряженности поля с потенциальными модификациями.

Находя компоненту вектора при напряженности поля, важно установить характер отношения в изменениях потенциала, которые происходят по причине смещения точки наблюдения по направлению векторов.

Рассчитываем перпендикулярную составляющую

При выполнении данной процедуры важно учесть, что выражение величины при малом смещении перпендикулярном будет определено путем изменения угла: Δl = rΔθ.
Параметры величины у этой компоненты поля будут равны.

Получив соотношение, можно определить поле элекрического диполя в произвольной точке для построения картины с силовыми линиями этого поля.

Важно учесть, что все формулы для определения потенциала и напряженности поля диполя оперируют только произведением величин, которые есть у одного дипольного заряда, и расстоянием между ними.

Дипольный момент

Название описанного произведения - полная характеристика электрического типа свойств. Она имеет название «дипольный момент системы».

По определению диполя, представляющего собой систему точечных зарядов, можно выяснить, что для него характерно наличие осевой симметрии, когда ось – это прямая, которая проходит через несколько зарядов.

Чтобы задать полную характеристику диполя, указывают и направление ориентации, которое имеет ось. Для простоты вычислений можно задать вектор дипольного момента. Значение его величины равно величине дипольного момента, а вектор направления отличается совпадением его и оси диполя. Так, p = qa, если a – направление вектора, которое соединяет отрицательные и положительные заряды диполя.

Применение такой характеристики диполя удобно и дает возможность в большинстве случаев упростить формулу и придать ей вид вектора. Описание потенциала поля диполя в точке произвольного направления записывают в форме вектора.

Введение таких понятий, как векторная характеристика диполя и его дипольный момент, можно выполнять с использованием упрощенной модели − точечного заряда в однородном поле, в составе которого имеется система зарядов, геометрические размеры которой не обязательно учитывать, но важно знать дипольный момент. Это необходимое условие для выполнения вычислений.

Как ведет себя диполь

Поведение диполя можно рассмотреть на примере такой ситуации. Положение двух точечных зарядов имеет фиксированный характер расстояния относительно друг друга. Их поместили в условия диполя однородного электрического поля. Произвели наблюдения над процессом. На уроках физики (электродинамики) рассматривают это понятие подробно. От поля на заряд выполняется действие сил:

F = ±qE

Они равны показателями величины и противоположны по характеру направления. Показатель суммарной силы, которая действует на диполь, равен нулю. Так как у такой силы наблюдается влияние на различные точки, показатель суммарного момента будет:

M = Fa sin a = qEa sin a = pE sin a

при α, являющейся углом, соединяющим векторы напряженности поля и векторы дипольного момента. Из-за наличия силового момента возникает стремление дипольного момента системы для возвращения к направлениям вектора напряженности электрического поля.

Электрический диполь - это понятие, которое важно четко понимать. Подробно о нем можно прочитать в интернете. Также его можно изучить на уроках физики в школе в 10 классе, о чём мы говорили выше.