Moleküller, televizyon antenleri gibi birçok sistem ve dielektrikleri içeren sistemlerde karşımıza çıkan veya sistemin kendisi olan elektrik dipolleri, sistem içindeki yüklerin büyüklükleri eşit ve aralarında belli bir d uzaklığı bulunan işaretleri zıt iki nokta parçacıktan oluşan bir çifti tanımlar.
Dipol ışınımı. Kaynak: MIT
Su molekülü en basit bir elektrik dipol örneğidir. Elektrik dipolü tanımında zıt yüklerden bahsetmemize rağmen, su molekülü elektriksel olarak yüksüzdür. O hâlde nasıl oluyor da su molekülü bir elektrik dipol gibi davranabiliyor. Aslında su molekülünü oluşturan atomik sisteme baktığımızda molekül içindeki kimyasal bağlar, bu molekülün içinde yer alan yükün yer değiştirmesine yol açtığını görürüz. Yani su molekülüne eğer içerden bakarsak onu oluşturan Oksijen kısmında net eksi yük ve Hidrojen kısmında net artı yük olduğunu görürdük. Dolayısıyla tanımda ifade edilen zıt yükler meselesini su molekülü için böylelikle halletmiş oluruz. Sonuçta iki net zıt yükü olan bir su molekülü sisteminden bir elektrik dipolü meydana gelmiş olur. Bunun sonucunda, sofra tuzu olarak bilinen NaCl gibi iyonik malzemeler için suyun mükemmel bir çözücü olduğunu deneyimleyebiliyoruz; bunun en belirgin sebebi ise su molekülünün dipol olmasıdır. Suyun dipol olması neden önemli? Suyun dipol olması, tuz suda çözündüğünde kendisini oluşturan pozitif Sodyum (Na+) ve negatif Klor (Cl–) iyonlarına ayrışması esnasında bu iyonların su moleküllerinin pozitif ve negatif kısımlarına doğru çekilmesinde önemlidir. Çünkü böylece bu iyonlar su içindeki çözeltide kalmış olur. Diğer taraftan su molekülü bir elektrik dipolü olmasaydı, suyun zayıf çözücülüğü sonucu iyonlar tam olarak ayrışamaz ve bu sebepten ötürü sulu çözeltilerdeki kimyasal tepkimeler gerçekleşemezdi. Bu nedenle de, biyokimyasal tepkimelerin bu türden kimyasal tepkimeler olduğu düşünülürse canlı hayatın varlığından söz etmemiz mümkün olamazdı. Anlaşılan o ki, yaşıyoruz çünkü elektrik dipolleri var!
Bir dipolün dışındaki yüklerin oluşturduğu bir elektrik alanda dipole etkiyen kuvvetler ve kuvvet momentleri fizik açısından incelenen belirgin detaylardır. Bir de dipolün kendisinin oluşturduğu elektrik alan nasıldır? Bu soruları yanıtlamaya dipol momentini tanımlama ile başlayalım.
Dipol Momenti
Zıt q yüklü bir çift için elektrik dipol momenti onların arasındaki uzaklık çarpı yükün büyüklüğü olarak tanımlanır ve bu dipol momentin yönü pozitif yüke doğrudur, “p” ile de gösterilir – bu gösterimi momentum gibi ifadelerle karıştırmamak gerekir. Ayrı yüklerin etkilerinin ölçüldüğü atom ve moleküllerde yararlı bir konsept olarak karşımıza çıkar. Ayrıca dielektrikler ve katı ile sıvı malzemelerdeki diğer uygulamalar için de yararlı bir konsepttir.
Bir elektrik alan içine yerleştirilen bir dipolün elektrik alanı ve enerjisi bu uygulamaları içermektedir.
Elektrik Dipolün Alanı
Bir elektrik dipolün elektrik alanı iki yükün nokta yük alanların bir vektör toplamı olarak hesaplanabilir:
Nokta yüklerin alanlarının vektörel toplamı olarak bir dipolün elektrik alanı
Bir dipolün eşpotansiyel çizgileri elektrik alan çizgilerine diktir.
Dipol İçin Eşpotansiyel Çizgileri
Bir dipolün elektriksel potansiyeli dipolün yaklaşık merkez noktasında ayna simetrisi gösterir. Onlar elektrik alan çizgilerine dik olan her yerdedir.
Elektrik Dipol Potansiyeli
Bir elektrik dipolün potansiyeli iki yükün nokta yük potansiyellerin süperpozisyonu (üst üste binmesi) ile bulunabilir:
Elektrik Dipolü Üzerinde Tork
Bir elektrik dipol üzerinde bir elektrik alan tarafından üretilen tork sağ el kuralı ile bulunan yöndeki bir vektör çarpımı olarak ifade edilebilir:
Bir Elektrik Dipolün Enerjisi
Bir dipol üzerine etki eden bir elektrik alan bir tork üretir: 
Dipol, düşük enerji konfigürasyonunu alma eğiliminde olur. Alana karşı dipolü döndürmek için düşük enerji durumuna göre iş yapmak gerekir ve yapılan iş şöyle ifade edilir:
Bir elektrik alan içinde dipolün gösterimi.
Bu potansiyel enerji skaler çarpımdan kısaca üretilir:
Elektrik dipolün bir elektrik alan içindeki kararlı ve kararsız durumları aşağıdaki şekildeki gibi verilmiştir,
Elektrik dipolü moleküler dipol momentlerinde önemlidir
Yazının başında da ifade ettiğimiz gibi, bir molekül üzerindeki toplam yük sıfır olsa bile kimyasal bağların doğası gereği pozitif ve negatif yükler çoğu moleküllerde tamamen birbiri üzerine geçmiş değildir. Böyle moleküller polar/kutuplu olarak söylenir çünkü onlar tek bir izinli dipol momente sahiptirler. Su molekülünün dipol momenti de iyi bir örnektir. Oksijen, karbondioksit ve karbon tetraklorür gibi ayna simetrisine sahip moleküller izinli bir dipol momente sahip değildirler. Dipol momenti olmasa bile, dış bir elektrik alanın uygulanması ile bir dipol momenti indüklemek de mümkündür. Bu polarizasyon olarak adlandırılır ve indüklenen dipol momentin büyüklüğü moleküler türlerin kutuplanabilirliğinin bir ölçüsüdür.
Suyun Dipol Momenti
Su molekülünün asimetrisi daha pozitif hidrojen atomuna doğru işaret edilen simetri düzlemindeki bir dipol momentine yol açar. Bu dipol momentin ölçülen büyüklüğü şöyledir
Bir su molekülünde iki Hidrojen atomundan iki elektron ve bir Oksijen atomundan sekiz elektron ile toplam 10 elektronluk bir negatif yük olur ve aynı şekilde iki proton ve sekiz protondan oluşan toplam 10e pozitif yük olur. Bu büyüklüklerdeki negatif ve pozitif yükü ayıran uzaklık da yukarıdaki dipol momenti değerinin bu toplam yüke bölümünden bulunur:
Bu değer 0.0039 nanometre (nm)’ye karşılık gelir. Hidrojen atomunun ilk Bohr yarıçapı için 0.05 nm ve sıvı formdaki hidrojenin etkin yarı çapı ise 0.15 nm’dir, yani su molekülü dipolü içindeki bu yük ayrımı/uzaklığı bir atomik yarıçapa kıyasla oldukça küçüktür.
Su molekülünde Oksijen atomu etrafındaki elektron yoğuşması Hidrojen atomlarının bulunduğu uca göre daha negatiftir. Dolayısıyla su molekülü, Oksijen kısmı negatif ve Hidrojen kısmı pozitif olan bir elektrik dipolüdür.
Su molekülünün bu polar yani kutuplu doğası suda bildiğimiz yüksek yüzey gerilimi ile doğrudan ilişkilidir.
Sudaki Dipolar Bağlanma
Su molekülleri arasındaki dipolar etkileşme iç enerjinin büyük bir miktarını temsil eder ve suyun öz ısısına ilişkin önemli bir faktördür. Suyun dipol momenti bir mikrodalga fırındaki mikrodalga elektrik alanlar ile etkileşme için bir yol/olanak sağlar. Mikrodalgalar su moleküllerine enerji ekleyebilir, dipol momenti olmayan moleküller etkilenmezken.
Su moleküllerinin polar doğası suyun yüzey gerilimi ile bağlantısı olmasının dışında çok sayıda sonuçlara sahiptir. Yeterli buhar basıncın su buharına neden olur dipol-dipol etkileşmeleri yüzünden ideal gaz yasasından hareketle. Bu bulut oluşumu, sis, çiğ gibi olgularının ve yoğunlaşmaya yol açar.
Dielektriğin Polarizasyonu
Eğer bir malzeme polar moleküllerden oluşuyorsa, elektrik alan olmadığı durumda polar moleküller genellikle rastgele yönelimlerde olurlar. Uygulanan bir elektrik alan polar moleküllerin dipol momentleri yönlendirmesiyle malzemeyi kutuplu hale getirir.
Plakalar arasındaki etkin elektrik alanı azalır ve paralel plaka yapısının kapasitansı artacaktır. Dielektrik iyi bir elektriksel yalıtkan olmalıdır, çünkü böylece bir kapasitör boyunca herhangi bir DC sızıntı akımını minimize edilmesi sağlanabilir.
Dielektriğin sonucu bir yük yoğunluğu ile üretilen elektrik alanı azalır ve etkin elektrik alanı olması gereken elektrik alandan polarizasyon elektrik alanın çıkarılması ile hesaplanabilir:
Sigma yük yoğunluğu, k dielektrik sabiti ve epsilon0 boş uzayın elektriksel geçirgenliği olmak üzere etkin elektrik alan
Dielektriğin polarizasyonu ile azalan etkin elektrik alanın k faktörü malzemenin dielektrik sabiti olarak adlandırılır.
Sonuç olarak elektrik dipollerini içeren parametrelerine bu yazı içerisinde değindim. Yükten atoma ve atomdan moleküle elektrik dipollerinin önemi en basit olarak yukarıda anlatılan başlıklar içerisinden çıkarılabilir. Fizik, kimya, biyoloji ya da nanoteknoloji çalışanların ilgilendiği bir çok problemle ilgili çözüm arayışları araştırmacılar tarafından bu yukarıdaki temeller üzerine kurulu bir zeminde sürmektedir.
Bu çalışma için HyperPhysics’ten değerli R. Nave’in çalışmalarından ve grafiklerinden faydalanıp bir kısmını Türkçeleştirdim-kendisine teşekkürler. Zamanla geliştirilecek bir elektrik dipolü yazısına böylelikle ilk adımı atmış oldum.
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca | facebook.com/anadoluca
Kaynaklar:
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/dipole.html
- http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_dipole_moment
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/dipole.html#c3
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/dipole.html#c2
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/diph2o.html#c1
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/dielec.html#c1
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/diptor.html
- Hugh D. Young, Roger A. Freedman, University Physics, Addison Wesley, 2009.
Elektrik ve Manyetizma yazı dizimizde,
Önceki Yazımız: Elektrik Alanı
Sonraki Yazımız: Gauss Yasası
