En física, un dipol (del grec antic, δίς (dis), «dues vegades»; πόλος (polos), «eix») és un fenomen electromagnètic que es produeix de dues maneres: Un dipol elèctric s'ocupa de la separació de les càrregues elèctriques positives i negatives que es troben en qualsevol sistema electromagnètic. Un exemple senzill d'aquest sistema és un parell de càrregues d'igual magnitud però de signe oposat separades per una distància típicament petita (un dipol elèctric permanent s'anomena electret). Un dipol magnètic és la circulació tancada d'un sistema de corrent elèctric. Un exemple senzill és un sol bucle de filferro amb corrent constant a través d'ell. Un imant de barra és un exemple d'imant amb un moment dipolar magnètic permanent.
Els dipols, siguin elèctrics o magnètics, es poden caracteritzar pel seu moment dipolar, una magnitud vectorial. Per al dipol elèctric simple, el moment dipolar elèctric apunta des de la càrrega negativa cap a la càrrega positiva, i té una magnitud igual a la força de cada càrrega multiplicada per la separació entre les càrregues; per ser exactes, per a la definició del moment dipolar, sempre s'ha de tenir en compte el «límit dipolar», on, per exemple, la distància de les càrregues generadores hauria de convergir a 0, mentre que simultàniament, la força de la càrrega hauria de divergir fins a l'infinit en aquests casos. una manera que el producte es manté una constant positiva.
Els dipols apareixen en cossos aïllants dielèctrics. A diferència del que passa en els materials conductors, en els aïllants els electrons no són lliures. En aplicar un camp elèctric a un dielèctric aïllant aquest es polaritza i provoca que els dipols elèctrics es reorienten en la direcció del camp disminuint la intensitat d'aquest. És el cas de la molècula d'aigua. Encara que té una càrrega total neutra (igual nombre de protons que d'electrons), presenta una distribució asimètrica dels seus electrons, la qual cosa la converteix en una molècula polar, al voltant de l'oxigen es concentra una densitat de càrrega negativa, mentre que els nuclis d'hidrogen queden nus, desproveïts parcialment dels seus electrons i manifesten, per tant, una densitat de càrrega positiva. Per això en la pràctica, la molècula d'aigua es comporta com un dipol. Així s'estableixen interaccions dipol-dipol entre les mateixes molècules d'aigua, formant-se enllaços o ponts d'hidrogen. La càrrega parcial negativa de l'oxigen d'una molècula exerceix atracció electroestàtica sobre les càrregues parcials positives dels àtoms d'hidrogen d'altres molècules adjacents. Encara que són unions febles, el fet que al voltant de cada molècula d'aigua es disposin quatre molècules unides per ponts d'hidrogen permet que es formi en l'aigua (líquida o sòlida) una estructura de tipus reticular, responsable en gran part del seu comportament anòmal i de la peculiaritat de les seves propietats fisicoquímiques.
Per al bucle de corrent magnètic (dipol), el moment dipolar magnètic apunta a través del bucle (segons la regla de la mà dreta), amb una magnitud igual al corrent del bucle multiplicada per l'àrea del bucle.
De manera similar als bucles de corrent magnètic, la partícula electró i algunes altres partícules fonamentals tenen moments dipolars magnètics, ja que un electró genera un camp magnètic idèntic al generat per un bucle de corrent molt petit. Tanmateix, el moment dipolar magnètic d'un electró no es deu a un bucle de corrent, sinó a una propietat intrínseca de l'electró. L'electró també pot tenir un moment dipolar elèctric, tot i que encara no s'ha observat (vegeu moment dipolar elèctric de l'electró).
Un imant permanent, com un imant de barra, deu el seu magnetisme al moment dipolar magnètic intrínsec de l'electró. Els dos extrems d'un imant de barra s'anomenen pols, que no s'han de confondre amb monopols (vegeu l'apartat «Classificació» a continuació) i es poden etiquetar «nord» i «sud».
Pel que fa al camp magnètic terrestre, són pols de «buscar el nord» i de «buscar el sud» respectivament; si l'imant estigués suspès lliurement al camp magnètic de la Terra, el pol que busca el nord apuntaria cap al nord i el pol que busca el sud apuntaria cap al sud. El moment dipolar de la barra imant apunta des del seu sud magnètic fins al seu pol nord magnètic. En una brúixola magnètica, el pol nord d'un imant de barra apunta al nord. Tanmateix, això vol dir que el pol nord geomagnètic de la Terra és el pol sud (pol que busca el sud) del seu moment dipolar i viceversa.
Els únics mecanismes coneguts per a la creació de dipols magnètics són els bucles de corrent o l'espín mecànic quàntic, ja que l'existència de monopols magnètics mai s'ha demostrat experimentalment.
Classificació Un dipol físic consta de dues càrregues puntuals iguals i oposades; en sentit literal, dos pols. El seu camp a grans distàncies (és a dir, distàncies grans en comparació amb la separació dels pols) depèn gairebé completament del moment dipolar tal com s'ha definit anteriorment. Un dipol puntual (elèctric) és el límit que s'obté deixant que la separació tendeixi a 0 mentre es manté el moment dipolar fix. El camp d'un dipol puntual té una forma particularment simple, i el terme d'ordre 1 en el desenvolupament multipolar és precisament el camp del dipol puntual.
Tot i que no hi ha monopols magnètics coneguts a la natura, hi ha dipols magnètics en forma de espín mecànic quàntic associat a partícules com els electrons (tot i que la descripció precisa d'aquests efectes queda fora de l'electromagnetisme clàssic). Un dipol puntual magnètic teòric té un camp magnètic de la mateixa forma que el camp elèctric d'un dipol puntual elèctric. Un bucle de corrent molt petit és aproximadament un dipol puntual magnètic; el moment dipolar magnètic d'aquest bucle és el producte del corrent que circula pel bucle i l'àrea (vector) del bucle.
Qualsevol configuració de càrregues o corrents té un «moment dipolar», que descriu el dipol el camp del qual és la millor aproximació, a grans distàncies, al de la configuració donada. Aquest és simplement un terme de l'expansió multipolar quan la càrrega total («moment monopolar») és 0, com sempre és per al cas magnètic, ja que no hi ha monopols magnètics. El terme dipolar és el dominant a grans distàncies: el seu camp cau en proporció a , en comparació amb per al següent terme (quadrupol) i potències superiors de per a termes superiors, o pel terme monopol.
Dipols moleculars
Moltes molècules tenen aquests moments dipolars a causa de distribucions no uniformes de càrregues positives i negatives en els diferents àtoms. Aquest és el cas dels compostos polars com el fluorur d'hidrogen (HF), on la densitat electrònica es comparteix de manera desigual entre els àtoms. Per tant, el dipol d'una molècula és un dipol elèctric amb un camp elèctric inherent que no s'ha de confondre amb un dipol magnètic, que genera un camp magnètic.
El químic i físic Peter J. W. Debye va ser el primer científic que va estudiar àmpliament els dipols moleculars i, com a conseqüència, els moments dipolars es mesuren en la unitat no-SI anomenada debye en el seu honor.
Per a les molècules hi ha tres tipus de dipols: Dipols permanents: es produeixen quan dos àtoms d'una molècula tenen una electronegativitat substancialment diferent: un àtom atrau electrons més que un altre, tornant-se més negatius, mentre que l'altre àtom es torna més positiu. Una molècula amb un moment dipolar permanent s'anomena molècula polar (Vegeu Interaccions dipol-dipol). Dipols instantanis: es produeixen per casualitat quan els electrons estan més concentrats en un lloc que en un altre en una molècula, creant un dipol temporal. Aquests dipols són de menor magnitud que els dipols permanents, però encara tenen un paper important en química i bioquímica a causa de la seva prevalença (Vegeu dipol instantani). Dipols induïts: es poden produir quan una molècula amb un dipol permanent repel·leix els electrons d'una altra molècula, induint un moment dipolar en aquesta molècula. Una molècula es polaritza quan porta un dipol induït (Vegeu Interacció ió-dipol induït).
De manera més general, un dipol induït de qualsevol distribució de càrrega polaritzable ρ (recordeu que una molècula té una distribució de càrrega) és causat per un camp elèctric extern a ρ. Aquest camp pot, per exemple, originar-se a partir d'un ió o molècula polar a les proximitats de ρ o pot ser macroscòpic (per exemple, una molècula entre les plaques d'un condensador carregat). La mida del moment dipolar induït és igual al producte de la força del camp extern i la polarització del dipol de ρ.
Els valors del moment dipolar es poden obtenir a partir de la mesura de la constant dielèctrica. Alguns valors típics de la fase gasosa en unitats debye són: diòxid de carboni (CO₂): 0 monòxid de carboni (CO): 0,112 D ozó (O₃): 0,53 D fosgen (COCl₂): 1,17 D amoníac (NH₃): 1,42 D vapor d'aigua (H₂O): 1,85 D cianur d'hidrogen (HCN): 2,98 D cianamida (CN₂H₂): 4,27 D bromur de potassi (Kbr): 10,41 D
El bromur de potassi (KBr) té un dels moments dipolars més alts perquè és un compost iònic que existeix com a molècula en fase gasosa.
El moment dipolar global d'una molècula es pot aproximar com una suma vectorial dels moments dipolars d'enllaç. Com a suma vectorial depèn de l'orientació relativa dels enllaços, de manera que a partir del moment dipolar es pot deduir informació sobre la geometria molecular.
Per exemple, el dipol zero del CO₂ implica que els dos moments dipolars de l'enllaç C=O es cancel·len de manera que la molècula ha de ser lineal. Per a H₂O, els moments d'enllaç O-H no es cancel·len perquè la molècula està doblegada. Per a l'ozó (O₃), que també és una molècula doblegada, els moments dipolars d'enllaç no són zero, tot i que els enllaços O-O es troben entre àtoms similars. Això coincideix amb les estructures de Lewis per a les formes de ressonància de l'ozó que mostren una càrrega positiva a l'àtom d'oxigen central.
Un exemple en química orgànica del paper de la geometria en la determinació del moment dipolar són els isòmers cis i trans de l'1,2-dicloroetè. En l'isòmer cis, els dos enllaços polars C−Cl es troben al mateix costat del doble enllaç C=C i el moment dipolar molecular és 1,90 D. En l'isòmer trans, el moment dipolar és zero perquè els dos enllaços C−Cl són a costats oposats del C=C i es cancel·len (i també es cancel·len els dos moments d'enllaç per als enllaços C−H molt menys polars).
Un altre exemple del paper de la geometria molecular és el trifluorur de bor, que té tres enllaços polars amb una diferència d'electronegativitat superior al llindar tradicionalment citat d'1,7 per a l'enllaç iònic. Tanmateix, a causa de la distribució triangular equilàter dels ions fluorur centrats i en el mateix pla que el catió bor, la simetria de la molècula fa que el seu moment dipolar sigui zero.
Operador de dipol mecànic quàntic Considerem una col·lecció de N partícules amb càrregues qi i vectors de posició ri. Per exemple, aquesta col·lecció pot ser una molècula formada per electrons, tots amb càrrega e-, i nuclis amb càrrega eZi, on Zi és el nombre atòmic de l'i-è nucli. El dipol observable (quantitat física) té l'«operador dipol» mecànic quàntic:
S'ha de tenir en compte que aquesta definició només és vàlida per a àtoms o molècules neutres, és a dir, càrrega total igual a zero. En el cas ionitzat, tenim
on és el centre de massa de la molècula/grup de partícules.
Dipols atòmics Un àtom no degenerat (estat S) només pot tenir un dipol permanent zero. Aquest fet se segueix mecànicament quàntic de la simetria d'inversió dels àtoms. Els tres components de l'operador dipol són antisimètrics en inversió respecte al nucli,
on és l'operador dipol i és l'operador d'inversió.
El moment dipolar permanent d'un àtom en un estat no degenerat (vegeu nivells d'energia degenerats) es dona com el valor esperat (mitjana) de l'operador dipol,