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Dipolo

En electromagnetismo, hay dos tipos de dipolos:

El campo magnético de una esfera con un polo magnético norte en la parte superior y un polo magnético sur en la parte inferior. En comparación, la Tierra tiene un polo magnético sur cerca de su polo geográfico norte y un polo magnético norte cerca de su polo sur.

Los dipolos, ya sean eléctricos o magnéticos, pueden caracterizarse por su momento dipolar, una cantidad vectorial. Para el dipolo eléctrico simple, el momento del dipolo eléctrico apunta desde la carga negativa hacia la carga positiva, y tiene una magnitud igual a la fuerza de cada carga multiplicada por la separación entre las cargas. (Para ser precisos: para la definición del momento dipolar, siempre se debe considerar el "límite dipolar", donde, por ejemplo, la distancia de las cargas generadoras debe converger a 0 mientras que simultáneamente, la fuerza de la carga debe divergir hasta el infinito en tal una forma en que el producto permanece como una constante positiv.)

Para el bucle de corriente magnético (dipolo), el momento del dipolo magnético apunta a través del bucle (de acuerdo con la regla de agarre de la mano derecha), con una magnitud igual a la corriente en el bucle multiplicada por el área del bucle.

De manera similar a los bucles de corriente magnética, la partícula de electrones y algunas otras partículas fundamentales tienen momentos dipolares magnéticos, ya que un electrón genera un campo magnético idéntico al generado por un bucle de corriente muy pequeño. Sin embargo, el momento dipolar magnético de un electrón no se debe a un bucle de corriente, sino a una propiedad intrínseca del electrón.[3]​ El electrón también puede tener un momento dipolar eléctrico, aunque aún no se ha observado (ver momento dipolar eléctrico del electrón).

Gráfico de contorno del potencial electrostático de un dipolo eléctrico orientado horizontalmente de tamaño infinitesimal. Los colores fuertes indican el potencial más alto y más bajo (donde se encuentran las cargas opuestas del dipolo).

Un imán permanente, como un imán de barra, debe su magnetismo al momento dipolar magnético intrínseco del electrón. Los dos extremos de una barra magnética se denominan polos, que no deben confundirse con monopolos, y pueden etiquetarse como "norte" y "sur". En términos del campo magnético de la Tierra, son respectivamente polos "que buscan el norte" y "que buscan el sur": si el imán estuviera suspendido libremente en el campo magnético de la Tierra, el polo que busca el norte apuntaría hacia el norte y el sur. El polo que busca apuntaría hacia el sur. El momento dipolar de la barra magnética apunta desde su sur magnético a su polo norte magnético. En una brújula magnética, el polo norte de un imán de barra apunta al norte. Sin embargo, eso significa que el polo norte geomagnético de la Tierra es el polo sur de su momento dipolar y viceversa.

Los únicos mecanismos conocidos para la creación de dipolos magnéticos son los bucles de corriente o el espín mecánico cuántico, ya que la existencia de monopolos magnéticos nunca se ha demostrado experimentalmente.

El término proviene del griego δίς (dis), "dos veces"[4]​ y πόλος (polos), "eje".[5][6]

Clasificación

 
Líneas de campo eléctrico de dos cargas opuestas separadas por una distancia finita.
 
Líneas de campo magnético de una corriente de anillo de diámetro finito.
 
Líneas de campo de un dipolo puntual de cualquier tipo, eléctrico, magnético, acústico, etc.

Un dipolo físico consta de dos cargas puntuales iguales y opuestas: en el sentido literal, dos polos. Su campo a grandes distancias (es decir, distancias grandes en comparación con la separación de los polos) depende casi por completo del momento dipolar definido anteriormente. Un dipolo puntual (eléctrico) es el límite que se obtiene dejando que la separación tienda a 0 mientras se mantiene fijo el momento dipolar. El campo de un dipolo puntual tiene una forma particularmente simple, y el término de orden 1 en la expansión multipolar es precisamente el campo dipolo puntual.

Aunque no se conocen monopolos magnéticos en la naturaleza, existen dipolos magnéticos en forma de espín mecánico cuántico asociado con partículas como los electrones (aunque la descripción precisa de tales efectos queda fuera del electromagnetismo clásico). Un dipolo de punto magnético teórico tiene un campo magnético de exactamente la misma forma que el campo eléctrico de un dipolo de punto eléctrico. Un bucle portador de corriente muy pequeño es aproximadamente un dipolo de punto magnético; el momento dipolar magnético de dicho bucle es el producto de la corriente que fluye en el bucle y el área (vectorial) del bucle.

Cualquier configuración de cargas o corrientes tiene un 'momento dipolar', que describe el dipolo cuyo campo es la mejor aproximación, a grandes distancias, al de la configuración dada. Este es simplemente un término en la expansión multipolar cuando la carga total ("momento monopolo") es 0, como siempre ocurre en el caso magnético, ya que no hay monopolos magnéticos. El término dipolo es el dominante a grandes distancias: su campo cae en proporción a 1/r3, en comparación con 1/r4 para el siguiente término (cuadrupolo) y potencias superiores de 1/r para términos más altos, o 1/r para el término monopolo.

Dipolos moleculares

Muchas moléculas tienen tales momentos dipolares debido a distribuciones no uniformes de cargas positivas y negativas en los diversos átomos. Tal es el caso de compuestos polares como el fluoruro de hidrógeno (HF), donde la densidad de electrones se comparte de manera desigual entre los átomos. Por lo tanto, el dipolo de una molécula es un dipolo eléctrico con un campo eléctrico inherente que no debe confundirse con un dipolo magnético que genera un campo magnético.

El químico físico Peter J. W. Debye fue el primer científico en estudiar extensamente los dipolos moleculares y, como consecuencia, los momentos dipolares se miden en unidades llamadas debye en su honor.

Para las moléculas hay tres tipos de dipolos:

Dipolos permanentes
Estos ocurren cuando dos átomos en una molécula tienen una electronegatividad sustancialmente diferente: un átomo atrae electrones más que otro, volviéndose más negativo, mientras que el otro átomo se vuelve más positivo. Una molécula con un momento dipolar permanente se llama molécula polar. Ver atracciones dipolo-dipolo.
Dipolos instantáneos
Estos ocurren debido al azar cuando los electrones están más concentrados en un lugar que en otro en una molécula, creando un dipolo temporal. Estos dipolos son de menor magnitud que los dipolos permanentes, pero aún juegan un papel importante en la química y la bioquímica debido a su prevalencia. Ver dipolo instantáneo.
Dipolos inducidos
Estos pueden ocurrir cuando una molécula con un dipolo permanente repele los electrones de otra molécula, induciendo un momento dipolar en esa molécula. Una molécula está polarizada cuando lleva un dipolo inducido. Ver atracción de dipolo inducido.

De manera más general, un dipolo inducido de cualquier distribución de carga polarizable ρ (recuerde que una molécula tiene una distribución de carga) es causado por un campo eléctrico externo a ρ. Este campo puede, por ejemplo, originarse a partir de un ion o molécula polar en las proximidades de ρ o puede ser macroscópico (por ejemplo, una molécula entre las placas de un condensador cargado). El tamaño del momento dipolar inducido es igual al producto de la fuerza del campo externo y la polarizabilidad del dipolo de ρ.

Los valores del momento dipolar se pueden obtener a partir de la medición de la constante dieléctrica. Algunos valores típicos de la fase gaseosa en unidades debye son:[7]

 
La molécula lineal CO2 tiene un dipolo cero cuando se cancelan los dos dipolos de enlace.

El bromuro de potasio (KBr) tiene uno de los momentos dipolares más altos porque es un compuesto iónico que existe como molécula en la fase gaseosa.

 
La molécula H2O doblada tiene un dipolo neto. Los dos dipolos de enlace no se cancelan.

El momento dipolar general de una molécula se puede aproximar como una suma vectorial de momentos dipolares de enlace. Como suma vectorial, depende de la orientación relativa de los enlaces, de modo que a partir del momento dipolar se puede deducir información sobre la geometría molecular.

Por ejemplo, el dipolo cero de CO2 implica que los dos momentos dipolares del enlace C = O se cancelan, por lo que la molécula debe ser lineal. Para el H2O, los momentos de enlace O − H no se cancelan porque la molécula está doblada. Para el ozono (O3), que también es una molécula doblada, los momentos dipolares de enlace no son cero aunque los enlaces O − O se encuentran entre átomos similares. Esto concuerda con las estructuras de Lewis para las formas de resonancia del ozono que muestran una carga positiva en el átomo de oxígeno central.

Un ejemplo en química orgánica del papel de la geometría en la determinación del momento dipolar son los isómeros cis y trans del 1,2-dicloroeteno. En el isómero cis, los dos enlaces polares C − Cl están en el mismo lado del doble enlace C = C y el momento dipolar molecular es 1.90 D. En el isómero trans, el momento dipolar es cero porque los dos enlaces C − Cl están en lados opuestos de C = C y se cancelan (y los dos momentos de enlace para los enlaces C − H mucho menos polares también se cancelan).

Otro ejemplo del papel de la geometría molecular es el trifluoruro de boro, que tiene tres enlaces polares con una diferencia de electronegatividad mayor que el umbral tradicionalmente citado de 1,7 para el enlace iónico. Sin embargo, debido a la distribución triangular equilátera de los iones de fluoruro alrededor del centro del catión boro, la molécula en su conjunto no exhibe ningún polo identificable: no se puede construir un plano que divida la molécula en una parte neta negativa y una parte neta positiva.

Operador de dipolo mecánico cuántico

Considere una colección de N partículas con cargas qi y vectores de posición ri. Por ejemplo, esta colección puede ser una molécula que consta de electrones, todos con carga -e, y núcleos con carga eZi, donde Zi es el número atómico de i-núcleo. El dipolo observable (cantidad física) tiene el operador dipolar mecánico cuántico:

 

Tenga en cuenta que esta definición es válida solo para átomos o moléculas neutros, es decir, carga total igual a cero. En el caso ionizado, tenemos

 

donde   es el centro de masa de la molécula/grupo de partículas.[8]

Dipolos atómicos

Un átomo no degenerado (estado S ) puede tener solo un dipolo permanente cero. Este hecho se deriva de la mecánica cuántica de la simetría de inversión de los átomos. Los 3 componentes del operador dipolar son antisimétricos bajo inversión con respecto al núcleo,

 

donde   es el operador dipolo y   es el operador de inversión.

El momento dipolar permanente de un átomo en un estado no degenerado (ver nivel de energía degenerado) se da como el valor esperado (promedio) del operador dipolar,

 

donde   es una función de onda de estado S, no degenerada, que es simétrica o antisimétrica bajo inversión:  . Dado que el producto de la función de onda (en el ket) y su conjugado complejo (en el sujetador) es siempre simétrico bajo inversión y su inverso,

 

de ello se deduce que el valor esperado cambia de signo bajo inversión. Usamos aquí el hecho de que  , al ser un operador de simetría, es unitario:   y por definición el adjunto hermitiano   se puede mover de sujetador a sujetador y luego se convierte en  . Dado que la única cantidad que es igual a menos es el cero, el valor esperado desaparece,

 

En el caso de átomos de capa abierta con niveles de energía degenerados, se podría definir un momento dipolar con la ayuda del efecto Stark de primer orden. Esto da un dipolo que no desaparece (por definición proporcional a un cambio Stark de primer orden que no desaparece) solo si algunas de las funciones de onda que pertenecen a las energías degeneradas tienen paridad opuesta; es decir, tienen un comportamiento diferente bajo inversión. Esta es una ocurrencia rara, pero ocurre para el átomo de H excitado, donde los estados 2s y 2p se degeneran "accidentalmente" (ver el artículo Vector Laplace-Runge-Lenz para el origen de esta degeneración) y tienen paridad opuesta (2s es par y 2p es impar).

Campo de un dipolo magnético estático

Magnitud

La intensidad de campo lejano, B, de un campo magnético dipolo está dada por

 

donde

o es la fuerza del campo, medida en teslas
r es la distancia desde el centro, medida en metros
λ es la latitud magnética (igual a 90°- θ) donde θ es la colatitud magnética, medida en radianes o grados desde el eje del dipolo[nota 1]
m es el momento dipolar, medido en amperios- metros cuadrados o joules por tesla
μ0 es la permeabilidad del espacio libre, medida en henries por metro.

La conversión a coordenadas cilíndricas se logra usando r2 = z2 + ρ2 y

 

donde ρ es la distancia perpendicular desde el eje z. Entonces,

 

Forma vectorial

El campo en sí es una cantidad vectorial:

 

donde

B es el campo
r es el vector desde la posición del dipolo hasta la posición donde se mide el campo
r es el valor absoluto de r: la distancia desde el dipolo
=  es el vector unitario paralelo r;
m es el momento dipolar (vector)
μ0 es la permeabilidad del espacio libre

Este es exactamente el campo de un dipolo puntual, exactamente el término dipolo en la expansión multipolo de un campo arbitrario, y aproximadamente el campo de cualquier configuración tipo dipolo a grandes distancias.

Potencial de vector magnético

El potencial vectorial A de un dipolo magnético es

 

con las mismas definiciones que las anteriores.

Campo de un dipolo eléctrico

El potencial electrostático en la posición r debido a un dipolo eléctrico en el origen viene dado por:

 

donde p es el momento dipolar (vector) y є0 es la permitividad del espacio libre.

Este término aparece como el segundo término en la expansión multipolo de un potencial electrostático arbitrario Φ(r). Si la fuente de Φ(r) es un dipolo, como se supone aquí, este término es el único término que no desaparece en la expansión multipolar de Φ(r). El campo eléctrico de un dipolo se puede encontrar a partir del gradiente de este potencial:

 

Esto es formalmente idéntico a la expresión para el campo magnético de un dipolo magnético puntual con solo algunos nombres cambiados. En un dipolo real, sin embargo, donde las cargas están físicamente separadas, las líneas del campo "interno" son diferentes, ya que las líneas del campo magnético son continuas, mientras que las del campo eléctrico divergen o convergen de las cargas puntuales.[2][9]

Torque en un dipolo

Dado que la dirección de un campo eléctrico se define como la dirección de la fuerza sobre una carga positiva, las líneas del campo eléctrico apuntan en dirección opuesta a una carga positiva y hacia una carga negativa.

Cuando se coloca en un campo eléctrico o magnético homogéneo, surgen fuerzas iguales pero opuestas en cada lado del dipolo creando un par de torsión τ}:

 

para un momento dipolar eléctrico p (en coulomb-metros), o

 

para un momento dipolar magnético m (en amperios-metros cuadrados).

El par resultante tenderá a alinear el dipolo con el campo aplicado, que en el caso de un dipolo eléctrico, produce una energía potencial de

 

La energía de un dipolo magnético es similar

 

Radiación dipolo

 
Módulo del vector de Poynting para un dipolo eléctrico oscilante (solución exacta). Las dos cargas se muestran como dos pequeños puntos negros.

Además de los dipolos en electrostática, también es común considerar un dipolo eléctrico o magnético que está oscilando en el tiempo. Es una extensión, o un siguiente paso más físico, de la radiación de ondas esféricas.

En particular, considere un dipolo eléctrico que oscila armónicamente, con frecuencia angular ω y un momento dipolar p0 a lo largo de la dirección de la forma

 

En el vacío, el campo exacto producido por este dipolo oscilante se puede derivar utilizando la formulación de potencial retardado como:

 

Para  /c≫1, el campo lejano toma la forma más simple de una onda "esférica" radiante, pero con dependencia angular incrustada en el producto cruzado:[10]

 

El vector de Poynting promediado en el tiempo

 

no se distribuye isotrópicamente, sino que se concentra en las direcciones perpendiculares al momento dipolar, como resultado de las ondas eléctricas y magnéticas no esféricas. De hecho, la función armónica esférica (sen θ) responsable de tal distribución angular toroidal es precisamente la onda "p" l = 1.

La potencia promedio en el tiempo total irradiada por el campo se puede derivar del vector de Poynting como

 

Observe que la dependencia de la potencia de la cuarta potencia de la frecuencia de la radiación está de acuerdo con la dispersión de Rayleigh y los efectos subyacentes de por qué el cielo se compone principalmente de color azul.

Un dipolo polarizado circular se describe como una superposición de dos dipolos lineales.

Véase también

Notas

  1. La colatitud magnética es 0 a lo largo del eje del dipolo y 90° en el plano perpendicular a su eje.

Referencias

  1. Brau, Charles A. (2004). Modern Problems in Classical Electrodynamics. Oxford University Press. ISBN 0-19-514665-4. 
  2. Griffiths, David J. (1999). Introduction to Electrodynamics (3rd edición). Prentice Hall. ISBN 0-13-805326-X. 
  3. Griffiths, David J. (1994). Introduction to Quantum Mechanics. Prentice Hall. ISBN 978-0-13-124405-4. 
  4. δίς, Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus
  5. πόλος, Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus
  6. «dipole, n.». Oxford English Dictionary (second edición). Oxford University Press. 1989. 
  7. Weast, Robert C. (1984). CRC Handbook of Chemistry and Physics (65th edición). CRC Press. ISBN 0-8493-0465-2. 
  8. «The Electric Dipole Moment Vector -- Direction, Magnitude, Meaning, et cetera». www.av8n.com. Consultado el 13 de febrero de 2021. 
  9. Jackson, John D. (1999). Classical Electrodynamics, 3rd Ed. Wiley. pp. 148-150. ISBN 978-0-471-30932-1. 
  10. David J. Griffiths, Introduction to Electrodynamics, Prentice Hall, 1999, page 447

Enlaces externos

  • Programa de geomagnetismo de USGS
  • Campos de fuerza : un capítulo de un libro de texto en línea
  • Potencial de dipolo eléctrico por Stephen Wolfram y Densidad de energía de un dipolo magnético por Franz Krafft. Proyecto de demostraciones Wolfram .
  •   Datos: Q215589
  •   Multimedia: Dipoles

dipolo, véase, también, desambiguación, electromagnetismo, tipos, dipolos, dipolo, eléctrico, ocupa, separación, cargas, positivas, negativas, encuentran, cualquier, sistema, electromagnético, ejemplo, simple, este, sistema, cargas, eléctricas, igual, magnitud. Vease tambien Dipolo desambiguacion En electromagnetismo hay dos tipos de dipolos Un dipolo electrico se ocupa de la separacion de las cargas positivas y negativas que se encuentran en cualquier sistema electromagnetico Un ejemplo simple de este sistema es un par de cargas electricas de igual magnitud pero de signo opuesto separadas por una distancia tipicamente pequena Un dipolo electrico permanente se llama electreto Un dipolo magnetico es la circulacion cerrada de un sistema de corriente electrica Un ejemplo simple es un solo bucle de cable con corriente constante a traves de el Un iman de barra es un ejemplo de un iman con un momento dipolar magnetico permanente 1 2 El campo magnetico de una esfera con un polo magnetico norte en la parte superior y un polo magnetico sur en la parte inferior En comparacion la Tierra tiene un polo magnetico sur cerca de su polo geografico norte y un polo magnetico norte cerca de su polo sur Los dipolos ya sean electricos o magneticos pueden caracterizarse por su momento dipolar una cantidad vectorial Para el dipolo electrico simple el momento del dipolo electrico apunta desde la carga negativa hacia la carga positiva y tiene una magnitud igual a la fuerza de cada carga multiplicada por la separacion entre las cargas Para ser precisos para la definicion del momento dipolar siempre se debe considerar el limite dipolar donde por ejemplo la distancia de las cargas generadoras debe converger a 0 mientras que simultaneamente la fuerza de la carga debe divergir hasta el infinito en tal una forma en que el producto permanece como una constante positiv Para el bucle de corriente magnetico dipolo el momento del dipolo magnetico apunta a traves del bucle de acuerdo con la regla de agarre de la mano derecha con una magnitud igual a la corriente en el bucle multiplicada por el area del bucle De manera similar a los bucles de corriente magnetica la particula de electrones y algunas otras particulas fundamentales tienen momentos dipolares magneticos ya que un electron genera un campo magnetico identico al generado por un bucle de corriente muy pequeno Sin embargo el momento dipolar magnetico de un electron no se debe a un bucle de corriente sino a una propiedad intrinseca del electron 3 El electron tambien puede tener un momento dipolar electrico aunque aun no se ha observado ver momento dipolar electrico del electron Grafico de contorno del potencial electrostatico de un dipolo electrico orientado horizontalmente de tamano infinitesimal Los colores fuertes indican el potencial mas alto y mas bajo donde se encuentran las cargas opuestas del dipolo Un iman permanente como un iman de barra debe su magnetismo al momento dipolar magnetico intrinseco del electron Los dos extremos de una barra magnetica se denominan polos que no deben confundirse con monopolos y pueden etiquetarse como norte y sur En terminos del campo magnetico de la Tierra son respectivamente polos que buscan el norte y que buscan el sur si el iman estuviera suspendido libremente en el campo magnetico de la Tierra el polo que busca el norte apuntaria hacia el norte y el sur El polo que busca apuntaria hacia el sur El momento dipolar de la barra magnetica apunta desde su sur magnetico a su polo norte magnetico En una brujula magnetica el polo norte de un iman de barra apunta al norte Sin embargo eso significa que el polo norte geomagnetico de la Tierra es el polo sur de su momento dipolar y viceversa Los unicos mecanismos conocidos para la creacion de dipolos magneticos son los bucles de corriente o el espin mecanico cuantico ya que la existencia de monopolos magneticos nunca se ha demostrado experimentalmente El termino proviene del griego dis dis dos veces 4 y polos polos eje 5 6 Indice 1 Clasificacion 2 Dipolos moleculares 3 Operador de dipolo mecanico cuantico 4 Dipolos atomicos 5 Campo de un dipolo magnetico estatico 5 1 Magnitud 5 2 Forma vectorial 5 3 Potencial de vector magnetico 6 Campo de un dipolo electrico 7 Torque en un dipolo 8 Radiacion dipolo 9 Vease tambien 10 Notas 11 Referencias 12 Enlaces externosClasificacion Editar Lineas de campo electrico de dos cargas opuestas separadas por una distancia finita Lineas de campo magnetico de una corriente de anillo de diametro finito Lineas de campo de un dipolo puntual de cualquier tipo electrico magnetico acustico etc Un dipolo fisico consta de dos cargas puntuales iguales y opuestas en el sentido literal dos polos Su campo a grandes distancias es decir distancias grandes en comparacion con la separacion de los polos depende casi por completo del momento dipolar definido anteriormente Un dipolo puntual electrico es el limite que se obtiene dejando que la separacion tienda a 0 mientras se mantiene fijo el momento dipolar El campo de un dipolo puntual tiene una forma particularmente simple y el termino de orden 1 en la expansion multipolar es precisamente el campo dipolo puntual Aunque no se conocen monopolos magneticos en la naturaleza existen dipolos magneticos en forma de espin mecanico cuantico asociado con particulas como los electrones aunque la descripcion precisa de tales efectos queda fuera del electromagnetismo clasico Un dipolo de punto magnetico teorico tiene un campo magnetico de exactamente la misma forma que el campo electrico de un dipolo de punto electrico Un bucle portador de corriente muy pequeno es aproximadamente un dipolo de punto magnetico el momento dipolar magnetico de dicho bucle es el producto de la corriente que fluye en el bucle y el area vectorial del bucle Cualquier configuracion de cargas o corrientes tiene un momento dipolar que describe el dipolo cuyo campo es la mejor aproximacion a grandes distancias al de la configuracion dada Este es simplemente un termino en la expansion multipolar cuando la carga total momento monopolo es 0 como siempre ocurre en el caso magnetico ya que no hay monopolos magneticos El termino dipolo es el dominante a grandes distancias su campo cae en proporcion a 1 r3 en comparacion con 1 r4 para el siguiente termino cuadrupolo y potencias superiores de 1 r para terminos mas altos o 1 r para el termino monopolo Dipolos moleculares EditarMuchas moleculas tienen tales momentos dipolares debido a distribuciones no uniformes de cargas positivas y negativas en los diversos atomos Tal es el caso de compuestos polares como el fluoruro de hidrogeno HF donde la densidad de electrones se comparte de manera desigual entre los atomos Por lo tanto el dipolo de una molecula es un dipolo electrico con un campo electrico inherente que no debe confundirse con un dipolo magnetico que genera un campo magnetico El quimico fisico Peter J W Debye fue el primer cientifico en estudiar extensamente los dipolos moleculares y como consecuencia los momentos dipolares se miden en unidades llamadas debye en su honor Para las moleculas hay tres tipos de dipolos Dipolos permanentes Estos ocurren cuando dos atomos en una molecula tienen una electronegatividad sustancialmente diferente un atomo atrae electrones mas que otro volviendose mas negativo mientras que el otro atomo se vuelve mas positivo Una molecula con un momento dipolar permanente se llama molecula polar Ver atracciones dipolo dipolo Dipolos instantaneos Estos ocurren debido al azar cuando los electrones estan mas concentrados en un lugar que en otro en una molecula creando un dipolo temporal Estos dipolos son de menor magnitud que los dipolos permanentes pero aun juegan un papel importante en la quimica y la bioquimica debido a su prevalencia Ver dipolo instantaneo Dipolos inducidos Estos pueden ocurrir cuando una molecula con un dipolo permanente repele los electrones de otra molecula induciendo un momento dipolar en esa molecula Una molecula esta polarizada cuando lleva un dipolo inducido Ver atraccion de dipolo inducido De manera mas general un dipolo inducido de cualquier distribucion de carga polarizable r recuerde que una molecula tiene una distribucion de carga es causado por un campo electrico externo a r Este campo puede por ejemplo originarse a partir de un ion o molecula polar en las proximidades de r o puede ser macroscopico por ejemplo una molecula entre las placas de un condensador cargado El tamano del momento dipolar inducido es igual al producto de la fuerza del campo externo y la polarizabilidad del dipolo de r Los valores del momento dipolar se pueden obtener a partir de la medicion de la constante dielectrica Algunos valores tipicos de la fase gaseosa en unidades debye son 7 dioxido de carbono 0 monoxido de carbono 0 112 D ozono 0 53 D fosgeno 1 17 D vapor de agua 1 85 D cianuro de hidrogeno 2 98 D cianamida 4 27 D bromuro de potasio 10 41 D La molecula lineal CO2 tiene un dipolo cero cuando se cancelan los dos dipolos de enlace El bromuro de potasio KBr tiene uno de los momentos dipolares mas altos porque es un compuesto ionico que existe como molecula en la fase gaseosa La molecula H2O doblada tiene un dipolo neto Los dos dipolos de enlace no se cancelan El momento dipolar general de una molecula se puede aproximar como una suma vectorial de momentos dipolares de enlace Como suma vectorial depende de la orientacion relativa de los enlaces de modo que a partir del momento dipolar se puede deducir informacion sobre la geometria molecular Por ejemplo el dipolo cero de CO2 implica que los dos momentos dipolares del enlace C O se cancelan por lo que la molecula debe ser lineal Para el H2O los momentos de enlace O H no se cancelan porque la molecula esta doblada Para el ozono O3 que tambien es una molecula doblada los momentos dipolares de enlace no son cero aunque los enlaces O O se encuentran entre atomos similares Esto concuerda con las estructuras de Lewis para las formas de resonancia del ozono que muestran una carga positiva en el atomo de oxigeno central Un ejemplo en quimica organica del papel de la geometria en la determinacion del momento dipolar son los isomeros cis y trans del 1 2 dicloroeteno En el isomero cis los dos enlaces polares C Cl estan en el mismo lado del doble enlace C C y el momento dipolar molecular es 1 90 D En el isomero trans el momento dipolar es cero porque los dos enlaces C Cl estan en lados opuestos de C C y se cancelan y los dos momentos de enlace para los enlaces C H mucho menos polares tambien se cancelan Otro ejemplo del papel de la geometria molecular es el trifluoruro de boro que tiene tres enlaces polares con una diferencia de electronegatividad mayor que el umbral tradicionalmente citado de 1 7 para el enlace ionico Sin embargo debido a la distribucion triangular equilatera de los iones de fluoruro alrededor del centro del cation boro la molecula en su conjunto no exhibe ningun polo identificable no se puede construir un plano que divida la molecula en una parte neta negativa y una parte neta positiva Operador de dipolo mecanico cuantico EditarConsidere una coleccion de N particulas con cargas qi y vectores de posicion ri Por ejemplo esta coleccion puede ser una molecula que consta de electrones todos con carga e y nucleos con carga eZi donde Zi es el numero atomico de i nucleo El dipolo observable cantidad fisica tiene el operador dipolar mecanico cuantico p i 1 N q i r i displaystyle mathfrak p sum i 1 N q i mathbf r i Tenga en cuenta que esta definicion es valida solo para atomos o moleculas neutros es decir carga total igual a cero En el caso ionizado tenemos p i 1 N q i r i r c displaystyle mathfrak p sum i 1 N q i mathbf r i mathbf r c donde r c displaystyle mathbf r c es el centro de masa de la molecula grupo de particulas 8 Dipolos atomicos EditarUn atomo no degenerado estado S puede tener solo un dipolo permanente cero Este hecho se deriva de la mecanica cuantica de la simetria de inversion de los atomos Los 3 componentes del operador dipolar son antisimetricos bajo inversion con respecto al nucleo I p I 1 p displaystyle mathfrak I mathfrak p mathfrak I 1 mathfrak p donde p displaystyle mathfrak p es el operador dipolo y I displaystyle mathfrak I es el operador de inversion El momento dipolar permanente de un atomo en un estado no degenerado ver nivel de energia degenerado se da como el valor esperado promedio del operador dipolar p S p S displaystyle left langle mathfrak p right rangle left langle S mathfrak p S right rangle donde S displaystyle S rangle es una funcion de onda de estado S no degenerada que es simetrica o antisimetrica bajo inversion I S S displaystyle mathfrak I S rangle pm S rangle Dado que el producto de la funcion de onda en el ket y su conjugado complejo en el sujetador es siempre simetrico bajo inversion y su inverso p I 1 S p I 1 S S I p I 1 S p displaystyle left langle mathfrak p right rangle left langle mathfrak I 1 S mathfrak p mathfrak I 1 S right rangle left langle S mathfrak I mathfrak p mathfrak I 1 S right rangle left langle mathfrak p right rangle de ello se deduce que el valor esperado cambia de signo bajo inversion Usamos aqui el hecho de que I displaystyle mathfrak I al ser un operador de simetria es unitario I 1 I displaystyle mathfrak I 1 mathfrak I y por definicion el adjunto hermitiano I displaystyle mathfrak I se puede mover de sujetador a sujetador y luego se convierte en I I displaystyle mathfrak I mathfrak I Dado que la unica cantidad que es igual a menos es el cero el valor esperado desaparece p 0 displaystyle left langle mathfrak p right rangle 0 En el caso de atomos de capa abierta con niveles de energia degenerados se podria definir un momento dipolar con la ayuda del efecto Stark de primer orden Esto da un dipolo que no desaparece por definicion proporcional a un cambio Stark de primer orden que no desaparece solo si algunas de las funciones de onda que pertenecen a las energias degeneradas tienen paridad opuesta es decir tienen un comportamiento diferente bajo inversion Esta es una ocurrencia rara pero ocurre para el atomo de H excitado donde los estados 2s y 2p se degeneran accidentalmente ver el articulo Vector Laplace Runge Lenz para el origen de esta degeneracion y tienen paridad opuesta 2s es par y 2p es impar Campo de un dipolo magnetico estatico EditarMagnitud Editar La intensidad de campo lejano B de un campo magnetico dipolo esta dada por B m r l m 0 4 p m r 3 1 3 sen 2 l displaystyle B m r lambda frac mu 0 4 pi frac m r 3 sqrt 1 3 operatorname sen 2 lambda donde o es la fuerza del campo medida en teslas r es la distancia desde el centro medida en metros l es la latitud magnetica igual a 90 8 donde 8 es la colatitud magnetica medida en radianes o grados desde el eje del dipolo nota 1 m es el momento dipolar medido en amperios metros cuadrados o joules por tesla m0 es la permeabilidad del espacio libre medida en henries por metro La conversion a coordenadas cilindricas se logra usando r2 z2 r2 y l arcsin z z 2 r 2 displaystyle lambda arcsin left frac z sqrt z 2 rho 2 right donde r es la distancia perpendicular desde el eje z Entonces B r z m 0 m 4 p z 2 r 2 3 2 1 3 z 2 z 2 r 2 displaystyle B rho z frac mu 0 m 4 pi left z 2 rho 2 right frac 3 2 sqrt 1 frac 3z 2 z 2 rho 2 Forma vectorial Editar El campo en si es una cantidad vectorial B m r m 0 4 p 3 m r r m r 3 displaystyle mathbf B mathbf m mathbf r frac mu 0 4 pi frac 3 mathbf m cdot hat mathbf r hat mathbf r mathbf m r 3 donde B es el campo r es el vector desde la posicion del dipolo hasta la posicion donde se mide el campo r es el valor absoluto de r la distancia desde el dipolo r es el vector unitario paralelo r m es el momento dipolar vector m0 es la permeabilidad del espacio libreEste es exactamente el campo de un dipolo puntual exactamente el termino dipolo en la expansion multipolo de un campo arbitrario y aproximadamente el campo de cualquier configuracion tipo dipolo a grandes distancias Potencial de vector magnetico Editar El potencial vectorial A de un dipolo magnetico es A r m 0 4 p m r r 2 displaystyle mathbf A mathbf r frac mu 0 4 pi frac mathbf m times hat mathbf r r 2 con las mismas definiciones que las anteriores Campo de un dipolo electrico EditarEl potencial electrostatico en la posicion r debido a un dipolo electrico en el origen viene dado por F r 1 4 p ϵ 0 p r r 2 displaystyle Phi mathbf r frac 1 4 pi epsilon 0 frac mathbf p cdot hat mathbf r r 2 donde p es el momento dipolar vector y ye0 es la permitividad del espacio libre Este termino aparece como el segundo termino en la expansion multipolo de un potencial electrostatico arbitrario F r Si la fuente de F r es un dipolo como se supone aqui este termino es el unico termino que no desaparece en la expansion multipolar de F r El campo electrico de un dipolo se puede encontrar a partir del gradiente de este potencial E F 1 4 p ϵ 0 3 p r r p r 3 displaystyle mathbf E nabla Phi frac 1 4 pi epsilon 0 frac 3 mathbf p cdot hat mathbf r hat mathbf r mathbf p r 3 Esto es formalmente identico a la expresion para el campo magnetico de un dipolo magnetico puntual con solo algunos nombres cambiados En un dipolo real sin embargo donde las cargas estan fisicamente separadas las lineas del campo interno son diferentes ya que las lineas del campo magnetico son continuas mientras que las del campo electrico divergen o convergen de las cargas puntuales 2 9 Torque en un dipolo EditarDado que la direccion de un campo electrico se define como la direccion de la fuerza sobre una carga positiva las lineas del campo electrico apuntan en direccion opuesta a una carga positiva y hacia una carga negativa Cuando se coloca en un campo electrico o magnetico homogeneo surgen fuerzas iguales pero opuestas en cada lado del dipolo creando un par de torsion t t p E displaystyle boldsymbol tau mathbf p times mathbf E para un momento dipolar electrico p en coulomb metros o t m B displaystyle boldsymbol tau mathbf m times mathbf B para un momento dipolar magnetico m en amperios metros cuadrados El par resultante tendera a alinear el dipolo con el campo aplicado que en el caso de un dipolo electrico produce una energia potencial de U p E displaystyle U mathbf p cdot mathbf E La energia de un dipolo magnetico es similar U m B displaystyle U mathbf m cdot mathbf B Radiacion dipolo Editar Modulo del vector de Poynting para un dipolo electrico oscilante solucion exacta Las dos cargas se muestran como dos pequenos puntos negros Ademas de los dipolos en electrostatica tambien es comun considerar un dipolo electrico o magnetico que esta oscilando en el tiempo Es una extension o un siguiente paso mas fisico de la radiacion de ondas esfericas En particular considere un dipolo electrico que oscila armonicamente con frecuencia angular w y un momento dipolar p0 a lo largo de la direccion ẑ de la forma p r t p r e i w t p 0 z e i w t displaystyle mathbf p mathbf r t mathbf p mathbf r e i omega t p 0 hat mathbf z e i omega t En el vacio el campo exacto producido por este dipolo oscilante se puede derivar utilizando la formulacion de potencial retardado como E 1 4 p e 0 w 2 c 2 r r p r 1 r 3 i w c r 2 3 r r p p e i w r c e i w t B w 2 4 p e 0 c 3 r p 1 c i w r e i w r c r e i w t displaystyle begin aligned mathbf E amp frac 1 4 pi varepsilon 0 left frac omega 2 c 2 r left hat mathbf r times mathbf p right times hat mathbf r left frac 1 r 3 frac i omega cr 2 right left 3 hat mathbf r left hat mathbf r cdot mathbf p right mathbf p right right e frac i omega r c e i omega t mathbf B amp frac omega 2 4 pi varepsilon 0 c 3 hat mathbf r times mathbf p left 1 frac c i omega r right frac e i omega r c r e i omega t end aligned Para rw c 1 el campo lejano toma la forma mas simple de una onda esferica radiante pero con dependencia angular incrustada en el producto cruzado 10 B w 2 4 p e 0 c 3 r p e i w r c t r w 2 m 0 p 0 4 p c r z e i w r c t r w 2 m 0 p 0 4 p c sen 8 e i w r c t r ϕ E c B r w 2 m 0 p 0 4 p sen 8 ϕ r e i w r c t r w 2 m 0 p 0 4 p sen 8 e i w r c t r 8 displaystyle begin aligned mathbf B amp frac omega 2 4 pi varepsilon 0 c 3 hat mathbf r times mathbf p frac e i omega r c t r frac omega 2 mu 0 p 0 4 pi c hat mathbf r times hat mathbf z frac e i omega r c t r frac omega 2 mu 0 p 0 4 pi c operatorname sen theta frac e i omega r c t r mathbf hat phi mathbf E amp c mathbf B times hat mathbf r frac omega 2 mu 0 p 0 4 pi operatorname sen theta left hat phi times mathbf hat r right frac e i omega r c t r frac omega 2 mu 0 p 0 4 pi operatorname sen theta frac e i omega r c t r hat theta end aligned El vector de Poynting promediado en el tiempo S m 0 p 0 2 w 4 32 p 2 c sen 2 8 r 2 r displaystyle langle mathbf S rangle left frac mu 0 p 0 2 omega 4 32 pi 2 c right frac operatorname sen 2 theta r 2 mathbf hat r no se distribuye isotropicamente sino que se concentra en las direcciones perpendiculares al momento dipolar como resultado de las ondas electricas y magneticas no esfericas De hecho la funcion armonica esferica sen 8 responsable de tal distribucion angular toroidal es precisamente la onda p l 1 La potencia promedio en el tiempo total irradiada por el campo se puede derivar del vector de Poynting como P m 0 w 4 p 0 2 12 p c displaystyle P frac mu 0 omega 4 p 0 2 12 pi c Observe que la dependencia de la potencia de la cuarta potencia de la frecuencia de la radiacion esta de acuerdo con la dispersion de Rayleigh y los efectos subyacentes de por que el cielo se compone principalmente de color azul Un dipolo polarizado circular se describe como una superposicion de dos dipolos lineales Vease tambien EditarDensidad de polarizacion Modelos de dipolo magnetico Modelo dipolo del campo magnetico de la Tierra Electret Dipolo del Oceano Indico y Dipolo del Oceano Indico subtropical dos fenomenos oceanograficos Interaccion dipolo dipolo magnetico Momento magnetico de giro Monopolo Armonicos solidos Momentos multipolares axiales Momentos multipolares cilindricos Momentos multipolares esfericos Expansion de Laplace Solido molecular Momento magnetico Campo magnetico interno de un dipoloNotas Editar La colatitud magnetica es 0 a lo largo del eje del dipolo y 90 en el plano perpendicular a su eje Referencias Editar Brau Charles A 2004 Modern Problems in Classical Electrodynamics Oxford University Press ISBN 0 19 514665 4 a b Griffiths David J 1999 Introduction to Electrodynamics 3rd edicion Prentice Hall ISBN 0 13 805326 X Griffiths David J 1994 Introduction to Quantum Mechanics Prentice Hall ISBN 978 0 13 124405 4 dis Henry George Liddell Robert Scott A Greek English Lexicon on Perseus polos Henry George Liddell Robert Scott A Greek English Lexicon on Perseus dipole n Oxford English Dictionary second edicion Oxford University Press 1989 Weast Robert C 1984 CRC Handbook of Chemistry and Physics 65th edicion CRC Press ISBN 0 8493 0465 2 The Electric Dipole Moment Vector Direction Magnitude Meaning et cetera www av8n com Consultado el 13 de febrero de 2021 Jackson John D 1999 Classical Electrodynamics 3rd Ed Wiley pp 148 150 ISBN 978 0 471 30932 1 David J Griffiths Introduction to Electrodynamics Prentice Hall 1999 page 447Enlaces externos EditarPrograma de geomagnetismo de USGS Campos de fuerza un capitulo de un libro de texto en linea Potencial de dipolo electrico por Stephen Wolfram y Densidad de energia de un dipolo magnetico por Franz Krafft Proyecto de demostraciones Wolfram Datos Q215589 Multimedia DipolesObtenido de https es wikipedia org w index php title Dipolo amp oldid 137002555, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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