Elektromos dipólusmomentum

A dipólusmomentum vagy dipólusnyomaték azoknak az elektromosan töltött testeknek (dipólusoknak) egyik jellemző sajátsága, ahol a két elektromos pólus (a pozitív és a negatív) elkülönül, azaz az ellentétes töltések középpontja a rendszeren belül nem egy pontba esik. Nagysága megadja, hogy mennyire poláris egy adott vegyület. Mértékegysége az SI-ben: C·m (coulomb·méter), a CGS-rendszerben debye; vektormennyiség.

Jellemzői

Az egymástól ${\displaystyle l}$ távolságra lévő +q és −q ponttöltések egy úgynevezett elektromos dipólust alkotnak, amely elektromos dipólusmomentumának (jele: ${\displaystyle p}$) nagysága a következő:

${\displaystyle p=q\cdot l}$

Tekintve, hogy a dipólusmomentum vektormennyiség, így az előbbi definíciót tovább lehet általánosítani a két töltés között levő elmozdulási vektor ${\displaystyle \mathbf {l} }$ segítségével:

${\displaystyle \mathbf {p} =q\cdot \mathbf {l} }$

Tekintve, hogy fizikában az elmozdulási vektor egy negatív és egy pozitív ponttöltés között definíció szerint a pozitív töltés irányába mutat, így a két töltés közötti dipólusmomentum is ugyanabba az irányba mutat. Ennek következménye, hogy a dipólusmomentum vektora a töltések által létrehozott elektromos mezővel is egy irányba mutatnak. Fontos megjegyezni, hogy kémiai szakirodalomban az elektromos dipólusmomentum ellentétesen, azaz a pozitív töltéstől a negatív töltés felé mutat.^[1]

Külső elektromos térbe helyezett dipólusra a dipólusmomentummal arányos forgatóerő hat, amely a dipólust a tér irányába igyekszik fordítani. Ezen jelenséghez tartozó energia ${\displaystyle U}$ és forgatónyomaték ${\displaystyle \mathbf {M} }$ a következő:^[2]

${\displaystyle U=-\mathbf {p} \cdot \mathbf {E} ,\qquad \mathbf {M} =\mathbf {p} \times \mathbf {E} }$,

ahol a ${\displaystyle \cdot }$ a skaláris szorzatot, a ${\displaystyle \times }$ pedig a vektoriális szorzatot jelöli. A negatív előjelnek és a skaláris szorzat tulajdonságainak következtében az energia akkor minimális, amikor a dipólus egy irányba mutat a külső elektromos térrel, és nulla, amikor merőleges rá.

Molekuláknak is lehet dipólusmomentumuk, nyomatékuk, ha negatív és pozitív töltéseiknek középpontja nem esik egybe.

A töltésközéppontok elkülönültsége lehet külső mezővel való kölcsönhatás következménye (ekkor indukált dipólusról van szó), de lehet a molekula szerkezetéből fakadó állandó jellegzetesség; ez utóbbi esetben poláros molekuláról beszélnek.

A vízmolekulák például polárosak, dipólusmomentumuk megközelítőleg p = 10⁻²⁹ C·m.