전기쌍극자모멘트 (electric dipole moment)

Last Updated on 2024-12-30 by BallPen

전기쌍극자가 갖는 전기쌍극자모멘트를 알아 봐요.

전기쌍극자모멘트 개념을 알아보겠습니다.

원자는 중심에 양전하인 원자핵이 있고 그 주변에 음전하인 전자들이 회전하고 있어요. 이때 원자핵의 전하량과 전자의 전하량은 서로 크기는 같지만 부호만 서로 반대에요.

일반적인 상태에서는 원자 중심의 원자핵과 전자들의 회전중심이 서로 일치되어 멀리서 보면 양전하와 음전하가 서로 겹쳐 있는 것과 같아요.

따라서 양전하와 음전하가 서로 겹쳐 있으므로 중성상태가 되어 전기적 성질이 사라집니다.

하지만 원자가 전기장 내에 놓이면 중심 원자핵과 주변을 돌고 있는 전자들의 회전 중심이 유전분극에 의해 어긋나게 됩니다. 이에 따라 멀리서 보면 양전하와 음전하가 비록 가까운 거리이기는 하지만 서로 분리되어 있는 것으로 관찰되는데 이것을 전기쌍극자(electric dipole)라고 하죠.

여기서 중요한 것은 양전하와 음전하가 서로 분리되어 자유롭게 움직이는 상태는 아니에요. 둘은 가까운 거리에서 분리된 채로 존재할 뿐입니다.

이를 그림으로 표현하면 아래와 같아요. (electric_dipole_moment.key 키노트 파일)

그림은 +q의 전하량을 갖는 양전하와 -q의 전하량을 갖는 음전하가 거리 d만큼 떨어져 있음을 의미해요. 여기서 양전하는 원자핵, 음전하는 전자의 회전중심에 대응하죠.

이때 전기쌍극자모멘트는 다음과 같이 정의됩니다.

\tag{1-1}
\vec p = q \vec d

전기쌍극자모멘트는 벡터량으로써 전기쌍극자의 전하량 크기 q와 음전하에서 양전하를 향하는 벡터 \vec d와의 곱으로 주어집니다.

여기서 주의할 것은 쌍극자모멘트 \vec p의 방향이 음전하에서 양전하를 향한다는 것에 주의하세요. 전기장처럼 양전하에서 음전하를 향하지 않아요.

그렇다면 왜 이렇게 방향을 잡았을까요?

그 이유는 전기쌍극자모멘트가 외부 전기장 안에 놓여지면 전기쌍극자가 회전하여 전기장 방향으로 배열하게 되는데요. 이때 전기장과 전기쌍극자모멘트의 방향이 같은 방향을 향하도록 설정하기 위함입니다.

만일 전기쌍극자모멘트가 양전하에서 음전하를 향하는 것으로 정의된다면 외부 전기장과 전기쌍극자모멘트의 방향이 반대가 되어 수학적으로 다루기가 불편하기 때문이에요.

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