Dipole moment fluctuation formulas in computer simulations of polar systems

偶极子 电介质 求和法 周期边界条件 边值问题 极地的 物理 领域(数学) 静电学 力矩(物理) 极化(电化学) 经典力学 热力学 化学 量子力学 数学 分子动力学 物理化学 纯数学
作者
Martin Neumann
出处
期刊:Molecular Physics [Informa]
卷期号:50 (4): 841-858 被引量:661
标识
DOI:10.1080/00268978300102721
摘要

The fundamental equation of electrostatics, i.e. the integral equation for the polarization of a macroscopic dielectric in an arbitrary external field, is written in a form that allows explicit inclusion of the toroidal boundary conditions as well as the cutoff of dipolar interactions often used in the computer simulation of polar systems. The toroidal boundary conditions are accounted for in a natural way if the integral equation is formulated (and solved) in Fourier space. Rigorous expressions for the polarization induced by a homogeneous field as well as for the equilibrium dipole moment fluctuations, both as a function of the dielectric constant, are then easily derived for general systems in two and three dimensions. The equations obtained for spherical cutoff geometry with reaction field are identical to those valid for an infinite periodic system (Ewald sum plus reaction field). When applied to the case of a highly polar Stockmayer system (μ*2=3·0, θ*=0·822, T*=1·15) the formulas lead to a consistent value of the dielectric constant that is independent of the precise value of the reaction field—if the number of particles is sufficiently large. In the thermodynamic limit the dielectric constant obtained with the reaction field method seems to be much higher than one would expect from the Ewald sum results published for the Stockmayer system at the same thermodynamic state.

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