Τι είναι το δίπολο;

Ένα δίπολο είναι μια ουσία που ενσωματώνει δύο ίσα και αντίθετα φορτία (η κατοχή ενός φορτίου μπορεί να θεωρηθεί ότι διαθέτει κάποια ποσότητα ενέργειας). Η φόρτιση μπορεί να είναι ηλεκτρική, μαγνητική ή οποιουδήποτε άλλου τύπου.

Όλα έχουν δύο όψεις. Αυτός είναι ο νόμος της φύσης που ακολουθείται από την αρχή του χρόνου. Στην πραγματικότητα, η γέννηση του σύμπαντός μας προήλθε από τη διαίρεση του τίποτα σε ύλη και αντιύλη. Αυτές οι δύο αντίθετες μορφές ενέργειας είναι η βάση κάθε ουσίας που υπάρχει σύμφωνα με τους νόμους του κόσμου μας. Ο πλανήτης μας, όντας μία από αυτές τις οντότητες, ακολουθεί επίσης αυτόν τον νόμο των αντιθέτων.

Γιατί είναι έτσι; Λοιπόν, η ύπαρξη αυτών των αντίθετων πλευρών ξεκινά σε απίστευτα μικρή κλίμακα - στο μοριακό επίπεδο. Όλα τα άτομα και τα μόρια που αποτελούν την ύλη είναι διπολικά.

Τι είναι το δίπολο;

Πριν από μερικές εβδομάδες, δύο από τους πολύ καλούς μου φίλους είχαν μια υγιή συζήτηση σχετικά με την πραγματική σημασία της λέξης δίπολο . Ο Sam ξεκίνησε την πλευρά του επιχειρήματος επισημαίνοντας ότι η λέξη δίπολο αποτελείται από δύο μικρότερες λέξεις - «di», που σημαίνει «δύο» και «πόλος», που σημαίνει «το τέλος ή το άκρο κάτι». Ο Bill συμμετείχε στη συζήτηση αναφέροντας το Merriam-Webster, το οποίο ορίζει το δίπολο ως ένα ζεύγος ίσων και αντίθετων ηλεκτρικών φορτίων που χωρίζονται από μια πολύ μικρή απόσταση.

Ωστόσο, ο Sam επεσήμανε ότι τα δύο άκρα ενός μαγνήτη αναφέρονται συχνά ως μαγνητικά δίπολα, επομένως η λέξη δίπολο αντιπροσωπεύει στην πραγματικότητα μαγνητικές ουσίες. Λοιπόν… ποιος έχει δίκιο;

Για να είμαστε δίκαιοι, κανένας από τους δύο δεν κάνει λάθος, από μόνος του. Ένα δίπολο είναι μια ουσία που ενσωματώνει δύο ίσα και αντίθετα φορτία (η κατοχή ενός φορτίου μπορεί να θεωρηθεί ότι διαθέτει κάποια ποσότητα ενέργειας). Η φόρτιση μπορεί να είναι ηλεκτρική, μαγνητική ή οποιουδήποτε άλλου τύπου. Σε αυτό το πλαίσιο, μπορούμε να διαφοροποιήσουμε ένα ηλεκτρικό δίπολο και ένα μαγνητικό.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενός ηλεκτρικού και ενός μαγνητικού διπόλου;

Ένα Ηλεκτρικό δίπολο σχηματίζεται από μια ουσία που έχει δύο ίσα ηλεκτρικά φορτία αντίθετου πρόσημου που χωρίζονται με μικρή απόσταση. Το καλύτερο παράδειγμα ηλεκτρικού διπόλου είναι ένα άτομο με ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο (Υδρογόνο). Το πρωτόνιο δρα ως πηγή θετικού φορτίου, ενώ το ηλεκτρόνιο έχει ίση ποσότητα αρνητικού φορτίου.

Άτομο υδρογόνου- Ένα απλό ηλεκτρικό δίπολο (Φωτογραφία :general-fmv/ Shutterstock)

Ένα μαγνητικό δίπολο είναι αρκετά παρόμοιο με ένα ηλεκτρικό δίπολο, εκτός από το ότι αποτελείται από μαγνητικά φορτία. Ένας απλός μαγνήτης ράβδων είναι το καλύτερο παράδειγμα μαγνητικού διπόλου. Το ένα άκρο της ράβδου αποτελεί τον βόρειο πόλο, ενώ το άλλο άκρο λειτουργεί ως νότιος πόλος. Το ποσό χρέωσης και στα δύο άκρα μιας ομοιόμορφης ράβδου θα ήταν το ίδιο. Ο βόρειος πόλος έλκει τον νότο και αντίστροφα.

Bar Magnet (Φωτογραφία :ShutterStockStudio/Shutterstock)

Τι είναι η διπολική στιγμή;

Μια διπολική ροπή είναι μια μετρήσιμη ποσότητα, όπως ακριβώς η μάζα, ο όγκος ή η ταχύτητα. Είναι το χαρακτηριστικό με το οποίο μπορούν να ποσοτικοποιηθούν και να διαφοροποιηθούν οι διπολικές ουσίες.

Τύπος διπολικής ροπής

Ο τύπος για τον υπολογισμό της διπολικής ροπής ενός απλού συστήματος με δύο φορτία δηλώνει ότι η διπολική ροπή είναι το γινόμενο του μεγέθους του φορτίου και της απόστασης που χωρίζει τα αντίθετα φορτία. Τα πιο πολύπλοκα συστήματα έχουν πιο σύνθετους τύπους, οι οποίοι προέρχονται όλοι από τον βασικό.

Μέτρηση διπολικής στιγμής (Προσφορά φωτογραφίας :Andreas Knecht/Wikimedia Commons)

Για παράδειγμα, θεωρήστε ένα σύστημα που αποτελείται από δύο αντίθετα ηλεκτρικά φορτία 1 κουλόμπ το καθένα, που χωρίζονται από απόσταση 1 νανόμετρο. Η διπολική ροπή ενός τέτοιου συστήματος θα ήταν 10−9 κουλόμ-μέτρα.

Το Coulomb-meter είναι μια μονάδα SI που ισχύει για την ηλεκτρική διπολική ροπή. Ωστόσο, οι μοριακές διπολικές ροπές είναι πολύ μικρές για να μετρηθούν αποτελεσματικά από αυτήν τη μονάδα.

Επομένως, για τη μέτρηση διπολικών ροπών μοριακών δεσμών, μια μονάδα που ονομάζεται Debye (D) χρησιμοποιείται (1D=3,33564×10−30 C·m).

Σε ατομικό επίπεδο, τα δίπολα εμφανίζονται λόγω της μη ομοιόμορφης κατανομής του φορτίου. Σκεφτείτε ένα άτομο με μια θάλασσα ηλεκτρονίων που περιστρέφεται γύρω από τα κεντρικά πρωτόνια σε σταθερές τροχιές αλλά τυχαία σειρά. Τώρα, διακόψτε το σενάριο ανά πάσα στιγμή και επιλέξτε ένα ζεύγος πρωτονίου και ενός ηλεκτρονίου.

Τι βλέπεις? Ένα δίπολο σχηματίζεται από το ζεύγος των εξίσου και αντίθετα φορτισμένων ειδών. Ομοίως, άλλα δίπολα, ίσα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων στο άτομο θα σχηματιστούν και οι διπολικές ροπές τους θα συνδυαστούν και θα οδηγήσουν σε μια καθαρή διπολική ροπή του είδους.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενός μόνιμου και ενός προσωρινού διπόλου;

Μόνιμα δίπολα προκύπτουν λόγω της διαφοράς στην ηλεκτραρνητικότητα (σχετική έλξη προς τα ηλεκτρόνια) μεταξύ δύο ατόμων μέσα σε ένα μόριο.

Ας εξετάσουμε το υδροφθόριο ως παράδειγμα. Η ηλεκτραρνητικότητα του φθορίου είναι μεγαλύτερη από το υδρογόνο, και ως αποτέλεσμα, το φθόριο τραβά όλα τα ηλεκτρόνια προς το μέρος του και γίνεται ο αρνητικός πόλος. Το υδρογόνο, με τη σειρά του, έχει περίσσεια πρωτονίων και γίνεται ο θετικός πόλος. Τέτοια μόρια με μόνιμες διπολικές ροπές ονομάζονται πολικά μόρια.

Στιγμιαία δίπολα είναι προσωρινά δίπολα. Μέσα σε ένα άτομο, τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε σταθερές διαδρομές, αλλά η κίνησή τους είναι τυχαία. Μερικές φορές, αυτά τα ηλεκτρόνια συγκεντρώνονται περισσότερο σε μια συγκεκριμένη περιοχή παρά σε μια άλλη. Αυτό δημιουργεί ένα στιγμιαίο ή προσωρινό δίπολο. Ο μηχανισμός είναι παρόμοιος με αυτό που εξηγήθηκε στο σχηματισμό ατομικών διπόλων.

Αυτά τα δίπολα είναι μικρά σε μέγεθος και είναι σχετικά μόνο για πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Ωστόσο, παίζουν σημαντικό ρόλο σε πολλά μοριακά φαινόμενα. Οι δυνάμεις διασποράς του Λονδίνου που παρατηρούνται σε πολλά μη πολικά μόρια όπως το οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα είναι τα καλύτερα παραδείγματά του.

Τι είναι το τετράπολο;

Καθώς οι ερευνητές σε όλο τον κόσμο ανακάλυψαν όλο και περισσότερα για τα δίπολα, αντιμετώπιζαν μια περίεργη ασάφεια - είναι ένα δίπολο το όριο; Οι ερωτήσεις τους απαντήθηκαν σύντομα με την ανακάλυψη ενός τετράπολου.

Ένα τετράπολο αποτελείται από τέσσερα διαφορετικά μονόπολα με αντίθετα πρόσημα (δύο από το καθένα) και ίσου μεγέθους διατεταγμένα σε μια απόλυτα συμμετρική κατανομή για να αντιπροσωπεύουν ένα ιδανικό σύστημα. Τα μονόπολα μπορεί να είναι ηλεκτρικό φορτίο, μαγνητικοί πόλοι ή ακόμα και απλή μάζα. Όπως αναφέρθηκε ήδη, η μάζα είναι μια πολική οντότητα. Το αντίθετο της μάζας ή της ύλης ονομάζεται αντιύλη και μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για την αντιύλη σε αυτό το άρθρο.

Ένα απλό ηλεκτρικό τετράπολο (Φωτογραφία :Pasquale.Carelli/Wikimedia Commons)

Για να κατανοήσουμε καλύτερα τα τετράπολα, ας δούμε ένα παράδειγμα.

Θεωρήστε δύο θετικά ηλεκτρικά φορτία και δύο αρνητικά. Τακτοποιήστε αυτά τα φορτία στις γωνίες ενός τετραγώνου με εναλλασσόμενο τρόπο. Το τελικό αποτέλεσμα θα μοιάζει με αυτό που φαίνεται παραπάνω στο σχήμα. Το συνολικό καθαρό φορτίο αυτού του συστήματος θα ήταν μηδέν, όπως και η διπολική ροπή του, αφού τα δύο αντίθετα δίπολα αλληλοεξουδετερώνονται.

Ωστόσο, η τετραπολική ροπή αυτού του συστήματος δεν μπορεί ποτέ να μηδενιστεί, ανεξάρτητα από τον προσανατολισμό των σωματιδίων. Η ακριβής αιτία αυτού του φαινομένου εξακολουθεί να ερευνάται σε όλο τον κόσμο!

Συμπέρασμα

Από όσα μάθαμε για τα δίπολα μέχρι στιγμής, ένα πράγμα είναι αρκετά ξεκάθαρο, είναι πολύ απλά κατ' αρχήν και εξίσου πολύπλοκα στη λειτουργία τους. Πολλά φαινόμενα που συμβαίνουν γύρω μας μπορούν να αποδοθούν στη διπολική φύση των ατόμων και των μορίων. Αυτά περιλαμβάνουν απλά πράγματα όπως η ρευστότητα του νερού καθώς και πολύπλοκα πράγματα όπως η χαλάρωση των βιολογικών ιστών και άλλα πράγματα που δεν εμπίπτουν στο πεδίο εφαρμογής αυτού του άρθρου.

Συμπερασματικά, αν και η λειτουργία τους μπορεί να μην είναι αισθητή στην καθημερινή ζωή, τα δίπολα είναι πολύ σημαντικά για εμάς.