偶極子

在電磁學裡，有兩種偶極子：偶極子的性質可以用它的偶極矩描述。電偶極矩的方向，根據右手法則，是大拇指從載流迴路的平面指出的方向，而其它手指則指向電流執行方向，磁偶極矩的大小等於電流乘以線圈面積。除了載流迴路以外，電子和許多基本粒子都擁有磁偶極矩。它們都會產生磁場，與一個非常小的載流迴路產生的磁場完全相同。但是，現時大多數的科學觀點認為這個磁偶極矩是電子的自然性質，而非由載流迴路生成。永久磁鐵的磁偶極矩來自於電子內稟的磁偶極矩。長條形的永久磁鐵稱為條形磁鐵，其兩端稱為指北極和指南極，其磁偶極矩的方向是由指南極朝向指北極。這常規與地球的磁偶極矩恰巧相反：地球的磁偶極矩的方向是從地球的地磁北極指向地磁南極。地磁北極位於北極附近，實際上是指南極，會吸引磁鐵的指北極；而地磁南極位於南極附近，實際上是指北極，會吸引磁鐵的指南極。羅盤磁針的指北極會指向地磁北極；條形磁鐵可以當作羅盤使用，條形磁鐵的指北極會指向地磁北極。根據當前的觀察結果，磁偶極子產生的機制只有兩種，載流迴路和量子力學自旋。科學家從未在實驗裡找到任何磁單極子存在的證據。物理偶極子、點偶極子、近似偶極子.一個物理電偶極子是由兩個等電量的異性點電荷構成的。在距離遠超於兩個點電荷相隔距離之處，物理電偶極子所產生的電場，可以近似為其電偶極矩所產生的電場。令物理電偶極子的兩個點電荷相隔距離趨向於 0 ，同時保持其電偶極矩不變，則極限就是點電偶極子，又稱為純電偶極子。物理電偶極子產生的電場的多極展開式中，一次專案就是點電偶極子產生的電場。物理電偶極子的電偶極矩 formula_1 是formula_4 ；其中，formula_5 是每個電荷的帶電量絕對值，formula_6 是從負電荷到正電荷的位移向量。到現今為止，雖然還沒有找到任何磁單極子存在的證據，科學家可以在電子和許多基本粒子的物理行為中，找到以量子力學的自旋形式存在的磁偶極子。點磁偶極子所產生的磁場的形態與點電偶極子所產生的電場的形態完全相同。非常小的載流迴路可以近似為點磁偶極子。物理磁偶極子 formula_2 的磁偶極矩是formula_8 ；其中，formula_9 是執行於載流迴路的電流，formula_10 是載流迴路的面積向量。任何電荷或電流組態都具有偶極矩，其對應的偶極子所產生的向量場，是那個組態在遠距離的最好近似。偶極子項只是多極展開式中的一項。當單極矩等於 0 時是最主要的項；其向量場值衰減率為 formula_12 ，作為比較，單極矩項的遞減率為 formula_13 ，第三項的衰減率為 formula_14 ，第 formula_15 項的遞減率為 formula_16 。分子的電偶極矩.很多分子都擁有電偶極矩。這是因為正負電荷的不均勻分佈。例如，擁有永久電偶極矩的分子稱為極化分子。假若一個分子帶有感應電偶極子，則稱此分子被極化。彼得·德拜是最先研究分子的電偶極子的物理化學家。為了紀念他的貢獻，電偶極矩的測量單位被命名為德拜。分子的電偶極子又分為以下三種：常見的化學化合物在氣態的電偶極矩，採用德拜單位：這些數值可從相對電容率的測量值計算求得。當分子因為對稱性而使得浄電偶極矩被抵消，則設定電偶極矩為 0 。電偶極矩最大值在 10 到 11 這值域內。知道電偶極矩值，科學家可以推論分子的分子結構。例如，資料顯示出，二氧化碳是一個線性分子；而臭氧則不是。電偶極子的電場.假設電偶極子 formula_1 的位置是原點 formula_18 ，則在任意位置 formula_19 ，此電偶極子產生的電勢 formula_20 是formula_21 ；其中，formula_22 是真空電容率。這公式的右手邊專案是任意靜電勢多極展開式的第二個專案。假若這任意靜電勢是由純電偶極子產生，則這專案是多極展開式的唯一不消失專案。電偶極子 formula_1 所產生的電場 formula_24 為formula_25 ；其中，formula_26 是 formula_19 和 formula_1 之間的夾角。注意到這個方程式並不完全正確，這是因為電偶極子的電勢有一個奇點在它所處的位置。更仔細地推導，可以得到電場為formula_30 ；其中，formula_31 是三維狄拉克δ函式導引.從計算電偶極子所產生的電場的平均值，可以得到正確答案。設定以原點 formula_18 為圓心，半徑為 formula_33 的球體 formula_34 。電偶極子所產生於這球體的電場，其平均值為：formula_35 。注意到球坐標單位向量與直角坐標單位向量之間的關係：formula_36 、formula_37 。將這兩個關係式代入前面積分式，可以得到注意到這積分式的x-分量與y-分量都等於零，只剩下z-分量：formula_38 。對於徑向坐標 formula_11 積分會得到formula_40 ！但對於天頂角 formula_26 積分則會得到formula_42 ！由此可知，從這運算無法得到 formula_43 的正確值。這是因為電偶極子的電勢有一個奇點在它所處的位置，電場的方程式並不完全正確。必須特別小心地計算，才能得到正確答案。應用向量恆等式 formula_45 ，則作用於這球體 formula_34 的電場，其平均值為：formula_47 ；其中，formula_48 是球體 formula_34 的表面。將電勢 formula_50 的方程式代入，注意到 formula_51 ，則可得到formula_52 ；其中，formula_53 是在源位置 formula_54 的電荷密度， formula_55 是源積分體積，設定與 formula_34 相同，formula_57 是場位置的單位向量，從表面 formula_48 垂直往外指出。場位置與源位置之間距離的倒數以球諧函式 formula_59 作多極展開為formula_60 與 formula_54 的球坐標分別為 formula_62 與 formula_63 。單位向量 formula_57 以球諧函式表示為formula_65 。應用球諧函式的正交歸一性formula_66 ，可以得到 formula_43 與這球體的電偶極子 formula_1 之間的關係式：formula_69 。也就是說，formula_70 。為了滿足這性質，必需對於電偶極子 formula_1 所產生的電場 formula_72 ，在其方程式內再新增一個專案：formula_73 。這樣，在計算 formula_43 時，就能夠得到明確無誤的答案。磁偶極子的磁場.假設磁偶極矩為 formula_2 的磁偶極子，其位置是在原點，則在任意位置 formula_19 ，磁偶極子的向量勢 formula_77 是formula_78 ；其中，formula_79 是磁常數。這磁偶極子所產生的磁場 formula_80 為formula_81 。由於磁偶極子的向量勢有一個奇點在它所處的位置，必須特別小心地計算，才能得到正確答案。更仔細地推導，可以得到磁場為formula_83 。任意磁場的多極展開式中，帶頭專案就是這公式右手邊的第一個專案，偶極子專案。磁場沒有單極子專案。在遠距離，這公式近似任何類似磁偶極子的組態所產生的磁場。偶極磁場的狄拉克δ函式專案造成了原子能級分裂，因而形成了超精細結構之間的天文學研究，只能依靠觀測21公分譜線無線電波。作用於偶極極子的力矩.將一磁偶極子放在均勻磁場，或將電偶極子放在均勻電場，偶極子的兩端會分別各產生一個力，兩個大小相等而方向相反的力產生力矩 formula_84 ：formula_85 、formula_86 。力矩傾向將偶極子的方向與向量場的方向排向同一方向，偶極子的位能是formula_87 、formula_88 。在計算時，我們常假設偶極子兩端之間的距離是無窮小，即點偶極子。偶極輻射.在靜電學和靜磁學之外，很重要的物理領域是含時偶極子。當一個電偶極子在做諧振蕩時，其電偶極矩可以表示為 formula_89 ；其中，formula_90 是角頻率。在真空裡，它產生的電場和磁場分別為formula_91 、formula_92 。在離開偶極子很遠的位置，向量場的形式近似一個輻射的球面波：formula_94 、formula_95 。經過時間平均，產生的總輻射功率 formula_96 為formula_97 。功率的分佈並不具有均向性，而是集中於垂直於電偶極矩的方向。量子力學的電偶極子算符.試想一群粒子，數量為 formula_98 ，電荷量和位置分別為 formula_99 和 formula_100 ，formula_101 。例如，這個群集可能是一個分子，由電荷量為 formula_102 的電子，和電荷量為 formula_103 的原子核所構成；其中，formula_104 是第 formula_105 個原子核的原子序。這個群集的電偶極子的量子算符 formula_106 是formula_107 。