ثنائي القطب في الكيمياء والفيزياء

ثنائي القطب هو فصل الشحنات الكهربائية المعاكسة ، يتم تحديد كمية ثنائي القطب من خلال عزم ثنائي القطب (μ) ، ويعرف عزم ثنائي القطب على انه المسافة بين الشحنات مضروبة في الشحنة ، وحدة عزم ثنائي القطب هي debye ، حيث تساوي 1 m ، وعزم ثنائي القطب هو كمية متجهة لها المقدار والاتجاه.

يشير اتجاه العزم الكهربائي لثنائي القطب من الشحنة السالبة نحو الشحنة الموجبة ، كلما زاد الاختلاف في الكهربية ، زاد عزم ثنائي القطب ، كما تؤثر المسافة التي تفصل الشحنات الكهربائية المعاكسة أيضًا على حجم العزم ثنائي القطب.

عزم ثنائي القطب في الكيمياء

في الكيمياء ، ينشأ عزم ثنائي القطب في أي نظام يوجد فيه فصل شحنة ، لذلك يمكن أن تنشأ في الروابط الأيونية وكذلك في الروابط التساهمية ، تحدث لحظات ثنائي القطب بسبب الاختلاف في الكهربية بين ذرتين مترابطتين كيميائيًا.

العزم ثنائي القطب في الرابطة هو قياس قطبية الرابطة الكيميائية بين ذرتين في الجزيء ، يتضمن مفهوم العزم ثنائي القطب الكهربائي ، وهو مقياس للفصل بين الشحنات السالبة والموجبة في النظام ، إن عزم ثنائي القطب للسندات هو كمية متجهية لأنه يحتوي على مقدار واتجاه.[1]

عزم ثنائي القطب في الفيزياء

في الفيزياء ، يتم تعريف العزم الكهربائي ثنائي القطب لزوج من الشحنات المعاكسة من حيث الحجم q على أنها مقدار الشحنة مضروبًا في المسافة بينهما والاتجاه المحدد نحو الشحنة الموجبة ، إنه مفهوم مفيد في الذرات والجزيئات حيث تكون تأثيرات فصل الشحنات قابلة للقياس ، لكن المسافات بين الشحنات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن قياسها بسهولة ، إنه أيضًا مفهوم مفيد في العوازل والتطبيقات الأخرى في المواد الصلبة والسائلة.

أمثلة على ثنائيات القطب

في الكيمياء ، يشير ثنائي القطب عادةً إلى فصل الشحنات داخل جزيء بين ذرتين أو ذرات مرتبطة تساهميًا تتقاسم رابطة أيونية ، على سبيل المثال ، جزيء الماء (H2O) هو ثنائي القطب ، يحمل جانب الأكسجين من الجزيء شحنة سالبة صافية ، بينما يحتوي الجانب الذي يحتوي على ذرتين من الهيدروجين على صافي شحنة كهربائية موجبة. شحنات الجزيء ، مثل الماء ، هي شحنات جزئية ، مما يعني أنها لا تضيف ما يصل إلى “1” للبروتون أو الإلكترون ، لذا جميع الجزيئات القطبية ثنائية القطب.

حتى الجزيء الخطي غير القطبي مثل ثاني أكسيد الكربون (CO2) يحتوي على ثنائيات أقطاب ، يوجد توزيع شحنة عبر الجزيء حيث يتم فصل الشحنة بين ذرات الأكسجين والكربون ، حتى ايضا إلكترون واحد لديه عزم مغناطيسي ثنائي القطب ، الإلكترون عبارة عن شحنة كهربائية متحركة ، لذا فهو يحتوي على حلقة تيار صغيرة ويولد مجالًا مغناطيسيًا ، على الرغم من أنه قد يبدو غير بديهي ، يعتقد بعض العلماء أن إلكترونًا واحدًا قد يمتلك أيضًا عزمًا كهربائيًا ثنائي القطب.

في الفيزياء ، المغناطيس الدائم “مغناطيسي” بسبب العزم المغناطيسي ثنائي القطب للإلكترون ، يشير ثنائي القطب لقضيب مغناطيسي من جنوبه المغناطيسي إلى شماله المغناطيسي ، والطريقة الوحيدة المعروفة لعمل ثنائيات أقطاب مغناطيسية هي تشكيل حلقات التيار أو عن طريق دوران ميكانيكا الكم.

أنواع ثنائيات القطب

هناك نوعان من ثنائيات القطب ، وهما ثنائيات الأقطاب الكهربائية وثنائيات الأقطاب المغناطيسية؛

يحدث ثنائي القطب الكهربائي عندما تكون الشحنات الموجبة والسالبة (مثل البروتون والإلكترون أو الكاتيون والأنيون) منفصلة عن بعضها البعض ، عادة ، يتم فصل الشحنات بمسافة صغيرة ، قد تكون ثنائيات الأقطاب الكهربائية مؤقتة أو دائمة ، يسمى ثنائي القطب الكهربائي الدائم بالكهرباء.
يحدث ثنائي القطب المغناطيسي عندما تكون هناك حلقة مغلقة من التيار الكهربائي ، مثل حلقة من الأسلاك تمر خلالها الكهرباء ، أي شحنة كهربائية متحركة لها أيضًا مجال مغناطيسي مرتبط. في الحلقة الحالية ، يشير اتجاه العزم المغناطيسي ثنائي القطب خلال الحلقة باستخدام قاعدة قبضة اليد اليمنى ، حجم العزم المغناطيسي ثنائي القطب هو تيار الحلقة مضروبًا في مساحة الحلقة.

تطبيقات ثنائي القطب

الكهربائي

ثنائي القطب الكهربائي هو فصل شحنات الإشارة المعاكسة (عادةً بمسافة صغيرة جدًا) ، يتم تقديمها عادةً بواسطة حالة بسيطة من شحنتين ، كلاهما متساوي في الحجم ولكن شحنة معاكسة.

إن ثنائيات الأقطاب الكهربائية شائعة في الطبيعة ، لذا فإن تحليلها له العديد من التطبيقات العملية ، وتوجد ثنائيات الأقطاب عادةً في الهياكل الجزيئية الناتجة عن توزيع الشحنة غير المنتظم للبروتونات والإلكترونات ، وتُستخدم لإيجاد قطبية نظام مفيد في فهم العديد من الظواهر الكيميائية مثل القوة العادية (سبب عدم سقوطنا من خلال الأشياء) والتوتر السطحي والذوبان ونقاط الانصهار / الغليان.

جهد

ثنائي القطب

الكهربائي

قبل أن نفهم خصائص الجهد الكهربائي لثنائي القطب ، دعونا نراجع بسرعة فهمنا للجهد ثنائي القطب والجهد الكهربائي ، الجهد الكهربي هو مقدار الشغل اللازم لتحريك شحنة موجبة للوحدة من نقطة مرجعية إلى نقطة معينة داخل مجال كهربائي دون إنتاج تسارع ، وثنائي القطب هو زوج من الشحنات المعاكسة بأحجام متساوية مفصولة بمسافة ، d ، ومن هنا؛

يُعطى الجهد الكهربائي الناتج عن نقطة شحنة q على مسافة r من تلك الشحنة بواسطة ، V = 14πε0 qr ، حيث ε0 هي المساحة الحرة.

وبالتالي، الجهد الكهربي هو مجال عددي يتحول تدرجه إلى مجال ناقل إلكتروستاتيكي ، نظرًا لأنه حقل عددي ، فمن السهل العثور على الإمكانات بسبب نظام الشحنات ، إنه مجموع الجهود الكهربائية عند نقطة ما بسبب الشحنات الفردية ، وبالتالي ، يمكننا كتابة صافي الجهد الكهربائي بسبب الإمكانات الفردية التي تساهم بها الشحنات على شكل؛

Vnet=∑i Vi
Vnet=14πε0 ∑i qiri

حيث ستخدم هذا المفهوم لإيجاد المجال الكهربائي لثنائي القطب ، اجعل المسافة بين النقطة P والشحنات الموجبة والسالبة r + و r- على التوالي ، دع المسافة من نقطة منتصف ثنائي القطب تكون r ، دع هذا المتجه يقابل زاوية θ للمحور ثنائي القطب.[2]

تعريف

قوى ثنائية

القطب

قوى ثنائية القطب هي قوى جذب بين الطرف الموجب لجزيء قطبي والطرف السالب لجزيء قطبي آخر ، تتمتع قوى ثنائي القطب بنقاط قوة تتراوح من 5 كيلوجول إلى 20 كيلوجول لكل مول ، وهي أضعف بكثير من الروابط الأيونية أو التساهمية ولها تأثير كبير فقط عندما تكون الجزيئات المعنية قريبة من بعضها (تلامس أو تلامس تقريبًا).