偶極子上的力矩

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具體來說，電偶極子將裝置的正電荷和負電荷分開。電偶極子的行為主要依賴於外部電裝置。如果將力矩放置在表示 E 強度的均勻電裝置中，則偶極子的軸線與電裝置形成一個角度 θ。力的分量是等效的，並且由電偶極子的內部距離隔開。如果將電偶極子放置在電裝置的對比區域，則電荷上的力將等效於電裝置的大小，但方向正好與力相反。在這種情況下，電偶極子上的淨力變為零。

什麼是力矩？

力矩包含向量量，外部和內部力作用在裝置的軸線上主要決定力矩的方向。力矩的大小可以透過公式 τ = F r sinθ 確定，其中 f 表示作用在裝置軸線上的力，r 表示裝置力臂的長度（Bielert 等人，2018）。在此公式中，θ 指的是力向量和力臂之間形成的角度，而 T 指的是力矩向量。

什麼是電偶極子？

電偶極子代表一對相等且相反的電荷點，用 (q) 和 (–q) 表示。這兩個相反的電荷被每個固定距離隔開。電偶極子總是從負電荷 (–q) 指向空間，預設指向正電荷 (q)。電偶極子可以定義為兩個不同的相反電荷，它們被內部距離 (d) 隔開。這兩個電荷的中點指的是偶極子。電偶極子用 p^⃗ 的符號表示。

力矩的推導

力矩公式的推導是透過理解力矩作為力的矩來確定的。如果對物體施加外力，則物體開始旋轉，然後圍繞其軸線旋轉（Zhang 等人，2021）。這種情況稱為力的矩。

圖 1：力矩的推導

力臂指的是力作用點與兩個旋轉軸之間的垂直距離。如果將垂直力作用於旋轉半徑，則總力決定旋轉速度，而力而不是垂直力，則肯定會找到力的垂直分量（Müller & Coyne，2020）。發生這種情況是因為施加力的垂直分量導致旋轉。

圖 2：電偶極子上的力矩

對於具有正電荷和負電荷的電偶極子，兩個電荷之間的內部距離為 (d)。如果將其放置在強度為 (E) 的均勻電裝置中，當偶極子的軸線與電裝置形成一個角度 θ 時 (Nance 等人，2020)。則力為 F^⃗+=+qE^⃗ 和 F^⃗-=-qE^⃗ 力垂直於電偶極子的分量為 F^⃗+⊥=+qE^⃗sinθ 和 F^⃗−⊥=−qE^ꜛsinθ。

電偶極子上的力矩應用

圖 3：電偶極子上的力矩應用

電偶極子表示電場的均勻性。施加了兩個相反電荷的外部力，這等效於來自相反方向的功率大小。結果，淨力在偶極子上消失了。作用在兩個相反電荷上的力的力矩具有相同的意義。因此，非零力矩被新增到偶極子。力矩的方向取決於偶極子的運動方向以及電裝置的外部場 (Montoya 等人，2018)。

因此，可以看出，如果電偶極子以電場的角度取向，則會在偶極子上看到非零力矩，因為兩個不同的電荷形成一個力偶。

結論

電偶極子在電場中的物理意義不僅非常生動，而且在化學領域也具有非常廣泛的應用。對於大多數物理或化學分子，兩個相反電荷的中心恰好重合在一個點上，僅僅因為兩個電荷之間的內部距離大多為零。例如，CO₂ 和 CH₄ 屬於零偶極矩類別，因此此類分子被稱為非極性分子。除此之外，具有恆定偶極矩的分子被認為是極性分子。極性分子包含正電荷和負電荷，而沒有重合。

常見問題

Q.1 偶極矩的 SI 單位是什麼？

偶極矩以庫侖·米為單位測量，這是該因素的 SI 單位。偶極矩主要取決於外部物體施加的力。

Q.2 何時可以看到電偶極子上的最大力矩？

當偶極子垂直於電場時，可以看到電偶極子上的最大力矩。這種型別的偶極矩被認為是極性分子。

Q.3 何時可以看到電偶極子上的最小力矩？

當偶極子平行於電場時，可以看到電偶極子上的最小力矩。這種型別的偶極矩被認為是非極性分子。

Q.4 電偶極子的例子是什麼？

當一對兩個相反的電荷符號等效於大小，並且由電裝置的內部距離隔開時，可以看到電偶極子的例子。電偶極子上的淨力有時可以為零。