молекулы воды в электрическом поле

Физики упорядочили электродипольную решетку молекул воды

Схематическое изображение электродипольной решетки молекул воды в упорядоченном состоянии.

M. A. Belyanchikov et al. / Nature, 2020

Физики экспериментально обнаружили переход группы молекул воды, размещенных в полостях кристаллической решетки кордиерита, в состояние, при котором электрические диполи этих молекул образуют упорядоченную структуру. Результат важен как с фундаментальной точки зрения — надежное экспериментальное наблюдение таких фазовых переходов в лаборатории ранее представляло трудности, так и с практической — упорядоченные электродипольные решетки молекул воды могут найти применение в области наноэлектроники (в том числе биосовместимой), а также помочь ученым в создании искусственных квантовых систем. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Когда возникает необходимость описывать электромагнитное поле сложных систем (как, например, молекулы) на расстояниях, которые значительно превышают размеры самой системы, физики пользуются дипольным приближением. В таком приближении роль реального объекта выполняет простая идеализированная система — диполь, причем поле (магнитное или электрическое) диполя с требуемой точностью соответствует настоящему и описывается векторной физической величиной — дипольным моментом.

Таким образом, для исследования электромагнитных свойств вещества бывает удобно рассматривать его как группу молекул, каждая из которых обладает неким дипольным моментом. При создании особых условий — например, приложении внешнего поля или охлаждении, диполи могут выстраиваться в упорядоченные структуры, а само вещество при этом — проявлять недоступные в стандартном состоянии свойства, которые удобно использовать на практике. На сегодняшний день упорядоченные состояния в большом количестве известны для систем магнитных диполей, в то время как экспериментальные исследования электрических — менее обширны и по-прежнему остаются сложной задачей.

Ученые из Германии, России, Чехии и Японии под руководством Михаила Белянчикова (M. A. Belyanchikov) из Московского физико-технического института экспериментально обнаружили и исследовали одно из упорядоченных состояний у электродипольной решетки воды — системы из регулярно расположенных в пространстве молекул H₂O. Благодаря распространенности этой жидкости в окружающей среде, поиск таких конфигураций представляет интерес, в том числе, с позиции изучения природных систем и развития биосовместимых технологий. Тем не менее в условиях лаборатории группы молекул H₂O в виде стандартной жидкости или льда не удается перевести в требуемое состояние — этому препятствуют водородные связи — электростатические взаимодействия между молекулами, которые не дают дипольным моментам выстраиваться в нужную конфигурацию.

Чтобы преодолеть влияние водородных связей, физики разместили молекулы воды в наноразмерных (миллионные доли миллиметра) порах природного кристалла кордиерита — в результате расстояние между молекулами составило 5–10 ангстрем (один ангстрем составляет десятимиллионную часть миллиметра и приблизительно соответствует расстоянию между кислородом и водородом в молекуле воды), в то время как водородные связи проявляются на масштабе 1–2 ангстрем. При этом сохранилось дальнее взаимодействие между электрическими дипольными моментами, которое характерно для расстояний в 10–100 ангстрем — молекулы воды образовали трехмерную электродипольную решетку.

Кристаллическая структура кордиерита (слева) и расположение в полостях этой структуры молекул воды (в центре и справа)

Источник

Вода и электрическое поле

Существует много технологий получения структурированной воды: омагничивание, замораживание с последующим таянием, процесс электролитического разделения воды на анолит («мертвая» вода) и католит («живая» вода), после чего образуется вода с новыми для нее свойствами, которые появляются не за счет химических воздействий, а за счет изменения волновых характеристик.

Но особые свойства вода приобретает в электрическом поле. Явление электрохимической активации воды (ЭХАВ) было открыто в 1975 г. ЭХАВ – совокупность электрохимического и электрофизического воздействия на воду в двойном электрическом слое (ДЭС) электрода (либо анода, либо катода) электрохимической системы при неравновесном переносе заряда через ДЭС электронами и в условиях интенсивного диспергирования в жидкости образующихся газообразных продуктов электрохимических реакций. В результате электрохимической активации вода переходит в метастабильное состояние, которое характеризуется аномальными значениями активности электронов и других физико-химических параметров (В.М. Бахир и др., 2001).

Если через воду протекает постоянный электрический ток, то поступление в воду у катода, так же как и удаление электронов из воды у анода, сопровождается серией электрохимических реакций на поверхности катода и анода. В результате образуются новые вещества, изменяется система межмолекулярных взаимодействий, в том числе структура воды как раствора. Получают такую воду с помощью диафрагменного проточного электрохимического реактора (СТЭЛ), включающего в свой состав специальную мембрану (диафрагму), разделяющую воду, находящуюся у катода и воду, находящуюся у анода. Состав электродов (анода и катода) таков, что они могут обмениваться только электронами.

В результате катодной (католит) обработки вода приобретает щёлочную реакцию, её ОВП снижается, уменьшается поверхностное натяжение, снижается количество растворённого кислорода и азота, возрастает концентрация водорода, свободных гидроксильных групп, уменьшается электропроводность, изменяется структура не только гидратных оболочек ионов, но и свободного объёма воды.
При анодной (анолит) электрохимической обработке кислотность воды увеличивается, ОВП возрастает, несколько уменьшается поверхностное натяжение, увеличивается электропроводность, возрастает количество растворённого кислорода, хлора, уменьшается концентрация водорода, азота, изменяется структура воды (Бахир В.М., 1999).

Католит является раствором с аномально усиленными электронодонорными свойствами и, попадая в кровь человека, усиливает её электронодонорный фон на несколько десятков милливольт. Авторы приводят сведения о механизмах действия католита: ускорение процессов регенерации за счёт стимуляции синтеза ДНК; иммунокорригирующее действие; усиление детоксицирующей функции печени; стабилизация проницаемости мембран клеток; нормализация энергетического потенциала клеток; повышение энергообеспечения клеток путём стимуляции и максимального сопряжения дыхания и процессов окислительного фосфорилирования.

В ВГМА используется, выпускаемая промышленностью (ВНИИМТНПО ЭКРАН), установка СТЭЛ, имеющая сертификат Санэпиднадзора РФ, которая модернизирована для получения строго стандартных растворов католита и анолита (устройство и способ получения растворов патентуются). В 1985 г ЭХАВ была официально признана ВАК СССР в качестве нового класса физико-химических явлений. Поручением правительства РФ от 15 января 1998 г. № ВЧ-П12-01044 даны рекомендации министерствам и ведомствам использовать указанные технологии в медицине, сельском хозяйстве, промышленности.

На основании материалов, опубликованных в сборника Второго и Третьего Международных симпозиумов «Электрохимическая активация в медицине, сельском хозяйстве, промышленности», монографии Прилуцкого В.И. и Бахира В.М., (1997) можно привести следующие данные о некоторых свойствах и лечебном действии анолита и католита.

Анолит обладает антибактериальным, противовирусным, антимикозным, антиаллергическим, противовоспалительным, противоотёчным, противозудным и подсушивающим действием, может оказывать цитотоксическое и антиметаболическое действие, не причиняя вреда клеткам тканей человека. Биоцидные вещества в электрохимически активированном анолите, не являются токсичными для соматических клеток, поскольку представлены оксидантами, подобными тем, которые продуцируют клетки высших организмов (В.М. Бахир и др., 2001).

Католит обладает антиоксидантными, иммуностимулирующими, детоксицирующими свойствами, нормализует метаболические процессы (повышение синтеза АТФ, изменение активности ферментов), стимулирует регенерацию тканей (повышает синтез ДНК и стимулирует рост и деление клеток за счёт увеличения массопереноса ионов и молекул через мембраны), улучшает трофические процессы и кровообращение в тканях.

В медицине электроактивированные растворы как анолиты, так и католиты находят достаточно широкое применение. Наиболее широко известно применение анолитов с целью дезинфекции и стерилизации инструментов, помещений, аппаратуры, предметов ухода, кожи и слизистых и т.д., а также для лечения гнойных ран. Испытание анолитов (АН и АНК) показало, что они при экспозиции 5-10 мин для полоскания полости рта снижают обсемененность микроорганизмами полости рта и глотки в 25-100 раз (В.В.Торопков с соавт., 1999), что подтверждается успешным применением их для полосканий при заболеваниях зева (Л.Г.Баженов с соавт., 1999). Использование смоченных в анолите салфеток позволяет полностью очистить раневые полости при огнестрельных ранах, флегмонах, абсцессах, трофических язвах, маститах, обширных гнойно-некротических поражениях подкожной клетчатки за 3-5 дней, а последующее применение католита в течение 5-7 дней существенно ускоряет репаративные процессы. Имеются также данные о высокой лечебной эффективности электроактивированных растворов при неспецифических и кандидозных кольпитах, эндоцервицитах, резидуальных уретритах, эрозии шейки матки, язвах роговицы, гнойных кератитах, инфицированных ранах кожи век, при коррекции дисбактериоза и иммунных нарушений; при лечении стоматитов, гингивитов, парадонтитов; при заболеваниях желудка; при лечении сальмонеллёза, дизентерии, а также при лечении сахарного диабета, тозиллитов, гнойных отитов, жирной и сухой себореи лица, выпадения волос, контактных аллергодерматитов, коррекции морщин. Хороший эффект выявлен при применении католита при гастритах, язвенной болезни желудка, геморрое, дерматомикозе, экземе, аденоме предстательной железы и хроническом простатите, тонзиллите, бронхите, хроническом пиелонефрите, хроническом гепатите, вирусном гепатите, деформирующих артрозах и т.д. (С.А.Алехин, 1997 и др.).

Однако, фармакологических исследований этих растворов, как лекарственных средств, очень мало. Исследования проводятся на кафедре фармакологии Воронежской медицинской академии. В ВГМА установлен ряд других лечебных эффектов электроактивированных водных растворов, изучена токсичность и продолжаются исследования их влияния на сердечно-сосудистую систему, систему крови и кроветворение (А.С. Никитский, Л.И. Трухачёва), на ЦНС (Е.А. Семенова, Е.Д.Сабитова), на двигательную сферу (Н.М. Парфёнова, Ю.Н. Гостева) мочеполовую систему и вводно-солевой обмен (Ю.А. Левченко, А.Л. Фатеев) систему пищеварения, дыхания (А.С. Никитский), органы репродукции (А.Д. Брездынюк), состояние зубочелюстной системы (Д.А. Кунин, Ю.Н. Криницына, Н.В. Скурятин), а также при лечении хирургических заболеваний (П.И. Кошелев, А.А. Гридин), психических заболеваний (О.Ю. Ширяев) и др.

Можно также использовать электроактивированные водные растворы в сельском хозяйстве: в животноводстве (профилактика болезней молодняка) и полеводстве (повышение урожайности). Одним из положительных свойств этих растворов является их дешевизна (2 рубля за литр) и экологичность.

Одним из важных компонентов применения электроактивированных водных растворов является то, что в них отсутствуют информационные характеристики прошлых воздействий на воду и поэтому они не могут ухудшить физиологические процессы организма. Лечебные элементы складываются для анолита, из-за его выраженного противомикробного, противовирусного и противогрибкового действия, что сопровождается противовоспалительным, противоотёчным, противоспаечным эффектами.

Литература

Источник

Как жидкость течет под действием электрического поля

Группа ученых из МГУ узнала больше о том, как жидкость течет под действием электрического поля

Группа российских исследователей под руководством профессора МГУ и заведующей лабораторией ИФХЭ им. А.Н. Фрумкина РАН Ольги Виноградовой разработала теорию, которая по-новому описывает ситуацию с транспортом жидкости, текущей вдоль поверхности под воздействием электрического поля. Полученные результаты в будущем смогут быть использованы в научных исследованиях в физике, химии и биологии, а также во множестве практических приложений, включая медицину и фармацевтику. Статья о работе была опубликована в последнем номере одного из лучших мировых журналов по физике Physical Review Letters (импакт-фактор — 7,8).

Связанное с электроосмосом явление движения твердых частиц в жидкости под влиянием электрического поля было названо электрофорезом.

Простота эффекта скрывала за собой довольно сложную физику, в которой ученым удалось разобраться лишь век спустя, когда польский физик Мариан Смолуховский в 1909 году смог теоретически описать процесс электроосмоса. В течение следующего века никто его теорию сомнению не подвергал, и только сейчас выясняется, что это лишь частный случай более общей теории, применимый только тогда, когда жидкость течет вдоль гидрофильной, то есть хорошо смачиваемоей поверхности, где следует учитывать (что Смолуховский и сделал) эффект прилипания жидкости. Теперь выясняется, что в случае с гидрофобной, плохо смачиваемой поверхности, нужно учитывать совершенно другое.

Выяснилась эта маленькая подробность как нельзя вовремя, в момент расцвета новых наук — микро- и нанофлюидики — имеющих дело с течением жидкости сквозь очень тонкие каналы. Через сверхтонкие каналы очень сложно организовывать течения с помощью механического воздействия, например создавая перепад давлений, который должен быть несообразно мощным. Если насос заменить небольшой батарейкой, то в сверхтонком канале можно создать быстрое электроосмотическое течение.

Волей-неволей физикам пришлось подвергнуть сомнению догмы доброй старой гидродинамики. Авторы статьи, которыми, помимо Ольги Виноградовой, являются еще молодые ученые с физического факультета МГУ Салим Мадуар и Алексей Беляев, показали теоретически и подтвердили в компьютерном эксперименте, что при количественном описании течений в электрических полях вдоль гидрофобной поверхности следует учитывать не граничное условие прилипания жидкости, использованное Смолуховским, а наоборот, электро-гидродинамическое условие скольжения. Такой поворот сразу изменил картину происходящего.

Около заряженной поверхности в растворе образуется облако ионов противоположного знака, которое и является причиной возникновения электро-осмотического течения. Здесь возможны два варианта — когда поверхностные заряды неподвижны, и когда они могут перемещаться вдоль поверхности под воздействием приложенного электрического поля. В случае с неподвижными зарядами все относительно просто – благодаря гидрофобному скольжению скорость электро-осмотического течения увеличивается. Когда же поверхностный заряд способен реагировать на приложенное электрическое поле, возникает, утверждают ученые, масса вариантов, порой совершенно неожиданных. Например, в статье показано, что можно индуцировать электро-осмотическое течение даже вблизи незаряженной поверхности или, наоборот, полностью подавить такое течение в каналах с идеально скользкими заряженными стенками.

Главным «действующим лицом» теории Смолуховского был так называемый дзета-потенциал, физико-химический параметр, рассчитываемый по специальной формуле и говорящий, в частности, о степени электроосмотической и электрофоретической подвижности: чем выше дзета-потенциал, тем быстрее течение жидкости или движение частицы. До недавнего времени считалось, что фактически дзета-потенциал равен потенциалу поверхности твердого тела на границе с жидкостью. В новой теории герой остался прежним, однако его интерпретация существенно усложнилась.

«В теории Смолуховского предполагается, что дзета-потенциал равен потенциалу самой поверхности и не зависит от других поверхностей, которые находятся рядом, — утверждает Виноградова. — Эти выводы являются следствием классического гидродинамического условия прилипания жидкости к твердому телу. В нашей статье показано, что в случае гидрофобных поверхностей это не так из-за того, что гидрофобная поверхность скользкая, а ассоциированные со скользкой поверхностью ионы могут реагировать на электрическое поле».

Теперь дзета-потенциал оказался связан также с параметрами, характеризующими подвижность поверхностных зарядов и гидродинамическое скольжение на поверхности, и даже получил дополнительную зависимость от возможного близкого присутствия другой поверхности.

Жизнь с новой теорией стала сложнее, но понятнее. Так, эта теория позволила сразу разрешить несколько парадоксов, многие годы остававшихся под большим знаком вопроса. Например, она позволила объяснить результаты измерений дзета-потенциала пузырьков и капель.

«Эти измерения давно и неизменно показывали, что их дзета-потенциалы такие же, как у твердого тела, — говорит Ольга Виноградова. — Это объяснялось, в частности, наличием загрязнений на поверхности пузырьков и капель. Мы показали, что загрязнения здесь ни при чем, и что дзета-потенциал в данном случае действительно совпадает с дзета-потенциалом твердого тела, но уже совсем по другим причинам».

Теория также помогла понять вызывавшие жаркие споры электроосмотические течения в пенных пленках.

Возможные практические применения новой теории, по мнению Виноградовой, весьма обширны, хотя бы по той причине, что концепция дзета-потенциала широко используется во многих областях науки и техники, таких, например, как медицина, фармацевтика, обогащение полезных ископаемых, водоочистка, очистка почв от загрязнений и многое другое. Новая интерпретация этого параметра позволит лучше понимать результаты его экспериментальных измерений, она позволит также управлять его величиной. Особенно перспективно использование новой теории в области микро- и нанофлюидики, например, для дизайна устройств «лаборатория на чипе» и нанофлюидных диодов, уже используемых как для распознавания и разделения биомолекул, так и для конверсии энергии.

«Но, разумеется, путь от новой теории к практическим применениям всегда очень долог, — утверждает Виноградова. — Полагаю, первыми, кто будет использовать наши результаты, окажутся экспериментаторы».

Источник

Изучение движения молекулы воды в электрическом и магнитном полях

ИЗУЧЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ
МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ

Оглавление

Характеристики воды 3

Электрические свойства молекул и дипольный момент 4

Движение молекулы воды в электрическом поле 5

Магнитный дипольный момент 7

Движение молекулы воды в магнитном поле 8

Список литературных источников 9

Введение

Вода – одно из самых распространенных веществ на нашей планете, она имеет огромное значение в эволюции как живой, так и неживой природы. Спектр применения воды необычайно широк: быт, промышленность, сельское хозяйство – этот список можно продолжать сколь угодно долго. Именно поэтому изучением воды, ее физических и химических свойств, до сих пор занимаются ученые всего мира. Вода, казалось бы, самое обыкновенное вещество, но имеет столько неразгаданных тайн и неизученных свойств.

Тема данной исследовательской работы – «Изучение движения молекулы воды в электрическом и магнитном полях». Чтобы больше понять о веществе, нужно рассмотреть его мельчайшую частицу – атом либо молекулу. В этой работе будут рассмотрены некие свойства молекулы воды.

Изучение движения молекулы представляет практический интерес. Как влияет на молекулу однородное, неоднородное электрическое поле? Каким образом молекула движется в магнитном поле?

Характеристики воды

Вода (оксид водорода) – бинарное неорганическое соединение, химическая формула – . Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода, соединенных между собой ковалентной полярной связью. Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45° (104°27′). Молекулу воды можно представить как элементарный диполь – частицу с положительно и отрицательно заряженными полюсами.

При нормальных условиях вода – прозрачная жидкость, не имеющая ни цвета (в малом объеме), ни запаха, ни вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном – водяным паром. При атмосферном давлении вода замерзает (превращается в лёд) при температуре в 0°C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100°C.

Плотность воды – 0,9982 г/куб. см., ее динамическая вязкость (ст. усл.) – 0,00101 Па•с (при 20°C), ее кинематическая вязкость (ст. усл.) – 0,01012 кв. см/с (при 20°C), температура плавления – 0°C, температура кипения – 99,974°C, молярная теплоёмкость (ст. усл.) – 75,37 Дж/(моль•К), теплопроводность (ст. усл.) – 0,56 Вт/(м•K).

При давлении в 611,73 Па температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01°C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. [3]

При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки льда падает со снижением давления.

При температуре 374°C (647 K) и давлении 22,064 МПа вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. [4]

При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.

При таянии льда, его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/куб. см). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается. При нагревании от 0°C до 4°C (точнее 3,98°C), вода сжимается. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4°C, более холодная вода, как менее плотная остаётся на поверхности и замерзает, а под льдом сохраняется положительная температура. Высокая температура и удельная теплота плавления (0°C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100°C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом. Высокая теплоёмкость жидкой воды. Высокая вязкость. Высокое поверхностное натяжение.

Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. [4] Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом. Он отвечает более чем за 60% парникового эффекта. [4] Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи. [4]

Электрические свойства молекул и дипольный момент

Электрические свойства молекул – важные характеристики строения молекул. Изучение таких свойств устанавливает закономерности связи свойств со строение молекул. Знание электрических свойств поможет при описании явлений, происходящих при помещении молекулы в электрическое поле, в чем и состоит цель данной работы.

Молекулы всех веществ делятся на полярные (дипольные) и неполярные. В дипольных молекулах центры отрицательных и положительных зарядов не совпадают, к таким молекулам относится молекула воды.

Атомы в молекуле воды расположены под углом, вершина которого – атом кислорода, он является центром распределения отрицательного заряда, а между атомами водорода – центр распределения положительного заряда. Заряды создают молекулярные силовые поля. [2] Количественная характеристика полярности определяется электрическим моментом диполя, который равен произведению величины положительного заряда на расстояние между зарядами и направлен от отрицательного заряда к положительному:

,
где q – величина положительного заряда, I – вектор с началом в отрицательном заряде и концом в положительном.

Для системы из N частиц электрический дипольный момент равен

,
где – заряд частицы с номером i, а – её радиус-вектор [6].

Для воды дипольный момент равен: Кл*м.

Движение молекулы воды в электрическом поле

Итак, будет ли электрическое поле действовать на помещенную в него молекулу воды? Каково это действие? Каким будет движение молекулы, поступательным или вращательным? Какова будет скорость молекулы, ее перемещение, ускорение?

Прежде всего, необходимо рассмотреть движение заряженных частиц в электрическом поле. На заряженную частицу в электростатическом поле действует кулоновская сила, которую можно найти по следующей формуле:

.

Кулоновская сила сообщает ускорение:

,
где m – масса заряженной частицы [1].

Но вода – диэлектрик, то есть молекула воды нейтральна. Действует ли на нее электрическое поле?

Так как молекула воды – диполь, то действие электрического поля направлено на ее разноименные полюса. На положительные полюса действует сила, направленная по линиям напряженности поля, а на отрицательный полюс – сила, направленная против линий напряженности. Электрическое поле окажет на молекулу воды ориентирующее действие вдоль направления поля. Этому препятствует хаотическое тепловое движение молекул, стремящееся произвольно «разбросать» диполи. В итоге совместного действия поля и теплового движения возникает преимущественная ориентация дипольных электрических моментов вдоль поля, возрастающая с увеличением напряженности электрического поля и с уменьшением температуры [2].

В однородном внешнем электрическом поле с напряженностью Е на заряды диполя будут действовать силы F1 = F2 = qE. Разложим их на составляющие и , . Cоставляющие и стремятся растянуть диполь, а составляющие и создают вращающие моменты и поворачивают диполь (по часовой стрелке) до тех пор, пока он не расположится вдоль силовой линии.

Рис.1.3. Диполь в однородном электрическом поле

,

,
– вращающие моменты (моменты сил), векторы моментов направлены от нас перпендикулярно чертежу. Результирующий момент равен .

Вращающий момент (момент сил), действующий на молекулу во внешнем поле в скалярной и векторной формах:

.

Вектор момента направлен перпендикулярно плоскости рисунка, то есть при помещении диполя в электрическое поле момент будет поворачивать так, чтобы диполь стал параллельным .

Молекула приобретает угловое ускорение , равное отношению момента сил к моменту инерции :

.

Момент инерции молекулы воды может быть выполнен по формуле классической механики:

,
где K – общее число химических элементов, образующих исследуемую молекулу; — значения их атомных масс; — расстояния между ядрами атомов и центром вращения молекулы.

Момент инерции служит мерой инертности тела при вращении, а следовательно, играет ту же роль, что и масса при поступательном движении.

В однородном электрическом поле молекула воды будет поворачиваться вокруг своего центра масс вдоль силовых линий поля, но вращательного движения происходить не будет, движение молекулы будет колебательным.

В неоднородном электрическом поле на положительный и отрицательный заряды молекулы будут действовать неодинаковые силы, их значения будут различны по модулю.

Рис. 1.4. Диполь в неоднородном электрическом поле

— изменение напряженности на отрезке , где б – угол между векторами и .

— результирующая сила.

— сила, действующая на диполь.

В неоднородном электрическом поле молекула воды не просто будет поворачиваться, но еще и начнет притягиваться к области усиления поля, то есть туда, где гуще силовые линии. Таким образом, движение молекулы относительно электрического поля можно считать поступательным.

Магнитный дипольный момент

Исследование взаимодействий полюсов постоянных магнитов привело к представлению о существовании магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам. Пара таких магнитных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, рассматривались как магнитный диполь. Позднее было установлено, что магнитных зарядов не существует, что магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами, то есть электрическими токами. Однако понятие о магнитном дипольном моменте сохранили, поскольку на больших расстояниях от замкнутых проводников, по которым протекают токи, магнитные поля оказываются такими же, как если бы их порождали магнитные диполи.

Магнитный момент (магнитный дипольный момент) – основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Магнитным моментом обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. Магнитный момент элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и других), как показывает квантовая механика, обусловлен существованием у них механического момента – спина. [8] Спин имеет квантовую природу и не связан с перемещением частицы как единого целого.

,
где h – постоянная Планка, равная Дж*с.

Экспериментально установлено, что в этих единицах (в соответствии с правилами квантовой механики) наблюдаемые проекции всех спинов на заданное направление принимают либо целое, либо полуцелое значение (либо 1, 2, 3… либо , , . ).

Магнитный дипольный момент атома или ядра аналогичен характеристике стрелки компаса. Он представляет собой вращающий момент, действующий на атом или ядро в магнитном поле. Дипольный момент – векторная величина. Магнитный момент атома высчитывается:

,
где q – заряд электрона, h – постоянная Планка, c – скорость света, – масса электрона. Магнитные моменты ядер обычно измеряют в единицах ядерного магнетона , который равен магнетону Бора, деленному на отношение масс протона и электрона, а именно .

Намагничивание магнетиков (любого класса) характеризуется намагниченностью, которая определяется как векторная сумма магнитных моментов атомов магнетика в единице объема:

,

Где J – намагниченность, — вектор магнитного момента, V – объем.

Физическая величина, коэффициент, характеризующий связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля в веществе – магнитная проницаемость.

.

Магнитная восприимчивость — физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе.

,
где J – намагниченность веществ под действием магнитного поля, — напряженность магнитного поля.

Движение молекулы воды в магнитном поле

Будет ли действовать магнитное поле на молекулу воды? Вода – диамагнетик, то есть вещество, результирующий магнитный момент атомов которого равен нулю. Атомы воды не имеют собственных магнитных полей. Но, электроны атома, помещенного во внешнее магнитное поле, приобретают дополнительное вращение, обусловленное полем. В магнитном поле диамагнитный атом приобретает магнитный момент, следовательно, он создает собственное магнитное поле.

При наличии внешнего магнитного поля все атомы диамагнетика (воды) приобретают магнитные моменты одного направления, противоположного внешнему полю. Поля магнитных диполей-атомов усиливают друг друга, и магнетик приобретает собственное магнитное поле направления, противоположного внешнему магнитному полю. Внутри магнетика магнитное поле ослабляется. Однако намагничивание диамагнетика имеет место лишь в присутствии внешнего поля. При снятии поля диамагнитный эффект немедленно исчезает.

Что происходит при помещении молекулы воды в магнитное поле? Когда диполь воды помещается в магнитное поле, на него действует сила Лоренца, заставляющая молекулу совершать колебательные движения.

Сила Лоренца – сила действия электромагнитного поля согласно классической (неквантовой) электродинамике на точечную заряженную частицу. Выражается:

,

Где q – заряженная частица, — напряженность электрического поля, — вектор магнитной индукции, не зависящий от величины заряда и скорости его движения, — вектор скорости заряженной частицы относительно системы координат, в которой вычисляются – модуль силы Лоренца и модуль вектора магнитной индукции. [9]

Источник