Was ist ein Dipolmoment?

Ein Dipol ist ein neutrales System, das aus zwei entgegengesetzt geladenen Teilen besteht. Zum Beispiel ist ein Wassermolekül als Ganzes neutral, aber eines seiner Enden ist positiv geladen, während das andere negativ geladen ist. Ein solches Objekt kann durch elektromagnetische Kräfte andere geladene Objekte beeinflussen. Das Dipolmoment eines Dipols ist eine Vektorgröße, die die Stärke dieses Einflusses beschreibt. Seine Größe entspricht der Größe jeder Ladung, multipliziert mit dem Abstand zwischen den beiden Teilen des Systems.

Die Stärke der Kraft, die ein Dipol auf ein entferntes Teilchen ausübt, kann mit der Gleichung F=2*pkq/r3 angenähert werden. Hier ist p das Dipolmoment, k ist die Coulomb-Konstante, q ist die Größe der Nettoladung des entfernten Teilchens und r ist der Abstand zwischen dem Zentrum des Dipols und dem entfernten Teilchen. Diese Näherung ist auf der Längsachse des Systems nahezu perfekt, solange r deutlich größer ist als der Abstand zwischen den beiden Komponenten des Dipols. Für Teilchen, die weit von dieser Achse entfernt sind, überschätzt die Näherung die Kraft um den Faktor 2.

Einsteins Relativitätstheorie verbindet elektrische Kräfte mit magnetischen Kräften. Das Magnetfeld eines Stabmagneten kann durch einen Dipol magnetischer Ladungen angenähert werden, einer in der Nähe des Nordpols des Magneten, der andere in der Nähe des Südpols. Eine solche Anordnung wird als magnetischer Dipol bezeichnet und der Einfluss, den sie auf eine sich senkrecht zum Feld bewegende entfernte Ladung ausübt, kann als 2*μqs/r3 angenähert werden, wobei μ das magnetische Dipolmoment und s die Geschwindigkeit ist.

Ein elektrischer Strom, der sich in einem kreisförmigen Draht bewegt, erzeugt ein magnetisches Feld, das dem eines kurzen Stabmagneten ähnelt. Das magnetische Dipolmoment eines solchen Drahtes hat die Größe I*A, wobei I der Strom des Drahtes und A die Fläche ist, die er im Raum verfolgt. Auf atomarer Ebene wird Magnetismus oft als Folge der Bewegung von Elektronen entlang gekrümmter Bahnen angesehen. Die Größe des magnetischen Dipolmoments für ein solches Teilchen ist gleich q*s/(2r), wobei q die Größe der Ladung, s die Geschwindigkeit des Teilchens und r der Radius der Bahn ist.

Neben der Quantifizierung der Kraft eines Dipols auf entfernte geladene Teilchen ist das Dipolmoment nützlich, um die Kraft zu bestimmen, die ein äußeres Feld auf einen Dipol ausübt. Beispielsweise erzeugt ein Mikrowellenherd kurzlebige, variierende elektrische Felder. Diese Felder bewirken, dass sich Wassermoleküle, die elektrische Dipole sind, drehen. Diese Drehbewegung führt zu einer Temperaturerhöhung, die das Essen gart. Das maximale Drehmoment, das ein äußeres Feld auf einen Dipol ausübt, ist einfach das Produkt aus Dipolmoment und Feldstärke.