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Introduzione

Dipolo Modello fisico che descrive molecole o altri sistemi fisici elementari, assimilabili a una coppia di cariche elettriche o di polarità magnetiche opposte, collocate a breve distanza l’una dall’altra. A seconda che le due entità fisiche accoppiate siano cariche elettriche o polarità magnetiche, si parla di dipolo elettrico o di dipolo magnetico. Un esempio di dipolo elettrico è costituito dalle molecole polari, che presentano un’asimmetria nella distribuzione di carica; un esempio di dipolo magnetico è l’ago magnetizzato di una bussola.

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Dipolo elettrico

Un dipolo elettrico, quindi, è un sistema costituito da due cariche elettriche uguali e di segno opposto (+q e –q), molto vicine l’una all’altra. Il campo elettrico generato da un sistema fisico così conformato è il risultato della sovrapposizione dei due campi relativi a ciascuna delle due cariche prese singolarmente: in ogni punto, è la somma vettoriale dei due vettori campo elettrico.

Il modello di dipolo elettrico è utile per descrivere sistemi fisici come le molecole polari, che presentano una distribuzione asimmetrica della carica elettrica.

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Dipoli permanenti e dipoli indotti

A seconda del tipo di legame e degli atomi che le costituiscono, le molecole possono presentare o meno una polarità elettrica permanente. Molecole polari sono quelle costituite da atomi con una forte differenza di elettronegatività, vale a dire con una diversa capacità di attirare a sé gli elettroni di legame: in una molecola biatomica come quella dell’acido cloridrico (HCl), ad esempio, l’atomo più elettronegativo (Cl), che attira gli elettroni verso di sé con maggiore efficienza, presenta un eccesso di carica negativa rispetto all’altro atomo (H); ciò crea un’asimmetria nella distribuzione spaziale di carica, e rende la molecola un dipolo permanente.

Anche le molecole normalmente neutre, tuttavia, se poste all’interno di un campo elettrico, possono diventare dei dipoli. Le forze del campo, infatti, perturbano il moto degli elettroni intorno al nucleo, alterando la simmetria della distribuzione di carica; ne nasce un’asimmetria, che conferisce alla molecola una polarità temporanea, rendendola un dipolo “indotto”.

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Il momento di dipolo elettrico

Per studiare le proprietà fisiche e il comportamento di un dipolo in presenza di un campo elettrico, si definisce una grandezza vettoriale detta momento di dipolo elettrico, d. Il suo modulo è dato dal prodotto della carica q per la distanza d tra le due cariche opposte; la sua direzione è quella della congiungente le due cariche, e il verso va dalla carica negativa a quella positiva.

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Dipoli elettrici e polarizzazione

In presenza di un campo elettrico, le molecole delle sostanze isolanti (dielettrici) si orientano o si deformano in modo da allineare i propri momenti di dipolo elettrico in direzione del campo, e conferire al corpo una proprietà macroscopica chiamata polarizzazione.

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Dipolo magnetico

Ogni sistema fisico capace di risentire degli effetti di un campo magnetico può essere descritto come un dipolo magnetico. Così, l’ago di una bussola, che si orienta lungo le linee di forza del campo magnetico terrestre indicando la direzione Sud-Nord, si può considerare un dipolo magnetico, e così tutti i magneti permanenti. Inoltre, come osservò per la prima volta lo scienziato danese Hans Christian Ørsted, anche le correnti elettriche generano campi magnetici e risentono dei loro effetti; per questo, anche un circuito percorso da corrente elettrica può essere considerato un dipolo magnetico, con una polarità che dipende dal verso della corrente che lo percorre.

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Momento di dipolo magnetico

Come a ogni dipolo elettrico si associa il momento di dipolo elettrico d, così anche a ogni dipolo magnetico si associa un’analoga grandezza vettoriale che ne sintetizza le proprietà e permette di descriverne il comportamento. Questa grandezza prende il nome di momento di dipolo magnetico e si indica generalmente con m: il suo modulo è dato dal prodotto dell’intensità di corrente i per l’area S della superficie racchiusa dal circuito; la sua direzione è quella perpendicolare al piano su cui giace il circuito, e il verso è dato dalla regola della mano destra: se le quattro dita della mano destra si avvitano nel senso della corrente, il pollice indica il verso del momento di dipolo.

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Il momento magnetico degli elettroni atomici

Nell’analisi delle proprietà magnetiche della materia, la descrizione delle correnti elettriche come dipoli magnetici permette di associare, a ogni moto di un elettrone atomico, un momento magnetico specifico. Ogni elettrone di un atomo compie sostanzialmente due moti: quello di rivoluzione intorno al nucleo e quello di rotazione intorno al proprio asse (secondo una descrizione prettamente classica). Poiché l’elettrone è una particella carica, questi moti possono essere considerati delle correnti elettriche, che producono effetti magnetici e possono quindi essere caratterizzati da un momento magnetico specifico. Così, a causa del suo moto orbitale intorno al nucleo, ogni elettrone possiede un momento magnetico detto orbitale e, a causa del suo moto di rotazione intorno al proprio asse, possiede un secondo momento magnetico, detto di spin. La somma vettoriale dei due momenti magnetici di tutti gli elettroni dell’atomo dà il momento magnetico totale dell’atomo, da cui dipende il comportamento magnetico della sostanza.

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Dipoli magnetici e magnetizzazione

In presenza di un campo magnetico, un dipolo tende ad allineare il proprio momento di dipolo con le linee di forza del campo. L’effetto macroscopico dell’allineamento di tutti i momenti magnetici degli atomi di una sostanza prende il nome di magnetizzazione; a seconda del tipo di sostanza (ferromagnetica, diamagnetica o paramagnetica), la magnetizzazione ha intensità e caratteristiche diverse.