偶极子上的力矩

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具体来说，电偶极子将设备的正电荷和负电荷分开。电偶极子的行为主要依赖于外部电设备。如果将力矩放置在表示 E 强度的均匀电设备中，则偶极子的轴线与电设备形成一个角度 θ。力的分量是等效的，并且由电偶极子的内部距离隔开。如果将电偶极子放置在电设备的对比区域，则电荷上的力将等效于电设备的大小，但方向正好与力相反。在这种情况下，电偶极子上的净力变为零。

什么是力矩？

力矩包含矢量量，外部和内部力作用在设备的轴线上主要决定力矩的方向。力矩的大小可以通过公式 τ = F r sinθ 确定，其中 f 表示作用在设备轴线上的力，r 表示设备力臂的长度（Bielert 等人，2018）。在此公式中，θ 指的是力矢量和力臂之间形成的角度，而 T 指的是力矩矢量。

什么是电偶极子？

电偶极子代表一对相等且相反的电荷点，用 (q) 和 (–q) 表示。这两个相反的电荷被每个固定距离隔开。电偶极子总是从负电荷 (–q) 指向空间，默认指向正电荷 (q)。电偶极子可以定义为两个不同的相反电荷，它们被内部距离 (d) 隔开。这两个电荷的中点指的是偶极子。电偶极子用 p^⃗ 的符号表示。

力矩的推导

力矩公式的推导是通过理解力矩作为力的矩来确定的。如果对物体施加外力，则物体开始旋转，然后围绕其轴线旋转（Zhang 等人，2021）。这种情况称为力的矩。

图 1：力矩的推导

力臂指的是力作用点与两个旋转轴之间的垂直距离。如果将垂直力作用于旋转半径，则总力决定旋转速度，而力而不是垂直力，则肯定会找到力的垂直分量（Müller & Coyne，2020）。发生这种情况是因为施加力的垂直分量导致旋转。

图 2：电偶极子上的力矩

对于具有正电荷和负电荷的电偶极子，两个电荷之间的内部距离为 (d)。如果将其放置在强度为 (E) 的均匀电设备中，当偶极子的轴线与电设备形成一个角度 θ 时 (Nance 等人，2020)。则力为 F^⃗+=+qE^⃗ 和 F^⃗-=-qE^⃗ 力垂直于电偶极子的分量为 F^⃗+⊥=+qE^⃗sinθ 和 F^⃗−⊥=−qE^ꜛsinθ。

电偶极子上的力矩应用

图 3：电偶极子上的力矩应用

电偶极子表示电场的均匀性。施加了两个相反电荷的外部力，这等效于来自相反方向的功率大小。结果，净力在偶极子上消失了。作用在两个相反电荷上的力的力矩具有相同的意义。因此，非零力矩被添加到偶极子。力矩的方向取决于偶极子的运动方向以及电设备的外部场 (Montoya 等人，2018)。

因此，可以看出，如果电偶极子以电场的角度取向，则会在偶极子上看到非零力矩，因为两个不同的电荷形成一个力偶。

结论

电偶极子在电场中的物理意义不仅非常生动，而且在化学领域也具有非常广泛的应用。对于大多数物理或化学分子，两个相反电荷的中心恰好重合在一个点上，仅仅因为两个电荷之间的内部距离大多为零。例如，CO₂ 和 CH₄ 属于零偶极矩类别，因此此类分子被称为非极性分子。除此之外，具有恒定偶极矩的分子被认为是极性分子。极性分子包含正电荷和负电荷，而没有重合。

常见问题

Q.1 偶极矩的 SI 单位是什么？

偶极矩以库仑·米为单位测量，这是该因素的 SI 单位。偶极矩主要取决于外部物体施加的力。

Q.2 何时可以看到电偶极子上的最大力矩？

当偶极子垂直于电场时，可以看到电偶极子上的最大力矩。这种类型的偶极矩被认为是极性分子。

Q.3 何时可以看到电偶极子上的最小力矩？

当偶极子平行于电场时，可以看到电偶极子上的最小力矩。这种类型的偶极矩被认为是非极性分子。

Q.4 电偶极子的例子是什么？

当一对两个相反的电荷符号等效于大小，并且由电设备的内部距离隔开时，可以看到电偶极子的例子。电偶极子上的净力有时可以为零。