الاستقطاب والتحريض الكهربائي: ما هو وكيف يعمل؟ (ث / أمثلة)

حتى لو كنت جديدًا في تخصص العلوم الفيزيائية المعروف باسم الكهرومغناطيسية ، فمن المحتمل أنك تدرك أن الشحنات المتشابهة تتنافر وتتجاذب الشحنات المعاكسة ؛ أي أن الشحنة الموجبة ستنجذب إلى الشحنة السالبة ولكنها تميل إلى صد شحنة موجبة أخرى ، مع نفس القاعدة البسيطة التي تثبت في الاتجاه المعاكس. (هذا هو أساس القول اليومي "جذب الأضداد" ؛ ما إذا كان هذا صحيحًا في الرومانسية ربما يكون سؤالًا مفتوحًا ، لكنه بالتأكيد هو الحال عندما يتعلق الأمر بالشحنات الكهربائية على الذرات والجزيئات.)

ومع ذلك ، قد لا تعرف أنه من الممكن أن ينجذب جسم مشحون إلى كائن محايد - أي كائن بدون شحنة صافية. هذا ممكن من خلال ظاهرةاستقطاب الشحنة، وهو ما يفسر حقيقة أن الجزيئات المحايدة كهربائيًا بشكل عام يمكن أن يكون لها توزيع شحنة غير متماثل داخلها. على سبيل القياس ، قد يكون للمدينة عدد متساوٍ من أقل من 40 عامًا وأكثر من 40 شخصًا ، لكن توزيعهم داخل حدود المدينة يكاد يكون غير متكافئ.

• ​جزيئاتهي مجموعات من ذرتين أو أكثر تمثل أصغر وحدة كيميائية لمركب معين ؛ يمكن أن تمثل هذه الذرات نفس العنصر ، مثل غاز الأكسجين (O₂) ، أو تشمل عناصر متعددة ، كما هو الحال مع ثاني أكسيد الكربون (CO₂).

نقل الشحنة الكهربائية بواسطهاستقراء- المعنى بدون لمس مباشر للأشياء التي تتبادل الشحنات على شكل إلكترونات حرة - يدور حول الاستراتيجية وضع الموصلات ، وهي المواد التي يتدفق من خلالها التيار بسهولة ، والعوازل ، وهي مواد لا يمكن للتيار من خلالها تدفق. ولكن أكثر من ذلك ، فهو يعتمد على استقطاب أجسام كاملة ناشئة عن استقطاب الجزيئات المكونة لها ، والتي يمكن تعديلها باستخدام مجال كهربائي.

على غرار الطريقة التي تتشابه بها معادلات الحركة الخطية والدورانية مع بعضها البعض ، فإن الرياضيات الكامنة وراء تأثيراتالحقل الكهربائي​ ​هالعمل على الشحنات النقطية يشبه إلى حد كبير وصف تأثيرات مجال الجاذبية الذي يعمل على الكتل النقطية. تُعطى قوة المجال الكهربائي بواسطة

• يشير متجه المجال الكهربائي في نفس الاتجاه كما يفعل متجه القوة الكهربائية عندمافهو إيجابي. وحداتهنيوتن لكل كولوم (N / C).

تحدد رسوم النقاط مجالاتها الكهربائية الخاصة. (تذكر أن شحنات "النقطة" يمكن أن يكون لها أي حجم ولا يزال لا يُنظر إليها على أنها تستهلك أي حجم.) التعبير عن هذا هو:

أينكهو الثابت 9 × 10⁹ نانومتر²/ ج² وصهو الإزاحة (المسافة والاتجاه) بين الشحنة وأي نقطة يتم فيها تقييم المجال. يعطي الجمع بين المعادلتين الأساسيتين أعلاه:

تُعرف هذه العلاقة باسمقانون كولوم​.

إذا أنشأت كل شحنة نقطية مجالها الكهربائي الخاص ، فهل من الممكن أن يكون لها مجال كهربائي موحد - أي مجال يكون فيه حجم واتجاهههو نفسه؟ لأسباب سترى ، يلزم وجود حقل منتظم حتى تكون القوة الكلية على ثنائي القطب صفراً.

يسمح وضع لوحين موصلين كبيرين بشكل لا متناه بالتوازي مع بعضهما البعض ووضع مادة عازلة ، أو مادة عازلة ، بينهما يتم إنشاء المجال الكهربائي إذا تم إنشاء جهد (فرق الجهد الكهربائي) بينهما ، كما هو الحال عند توصيل الألواح المختلفة بـ البطارية.

يتم تقريب هذا الترتيب في تصنيعالمكثفات، التي تخزن الشحنة الكهربائية في دوائر. خطوط المجال الكهربائي متعامدة على الألواح وتشير نحو اللوحة السلبية. ولكن كيف تتراكم الشحنات على أسطح هذه الوحدات كبداية؟

لا يمكن أن توجد المجالات الكهربائية الصافية داخل الموصلات. هذا لأنه ، إذا كانت الإلكترونات حرة في الحركة ، فإنها ستفعل ذلك حتى تكون في حالة توازن ، حيث يكون مجموع كل القوى وعزم الدوران صفرًا ، وبما أن F = qE ،هيجب أن يكون صفرًا. بعبارة أخرى ، فإن حركة الإلكترونات الحرة في الموصل تطمس أي مجال كهربائي يمكن أن يوجد من خلال "تسويته" عبر تحول في الإلكترونات.

الوضع داخل العوازل مختلف تمامًا. تتكون جميع الذرات من نواة موجبة الشحنة محاطة بسحابة إلكترونية. في وجود مجال كهربائي خارجي (ربما بسبب وجود جسم مشحون) ، يمكن أن تتحول سحب الإلكترون ، مما يؤدي إلىعزم ثنائي الاقطابوصافي القوة الكهربائية.

على الرغم من عدم وجود شحنة صافية في العازل ، إذا تم أخذ عينات من أي جزء منه ، فإن وجود لحظات ثنائية القطب يؤدي إلى تراكم صافي شحنة موجبة على جانب واحد من العينة وشحنة سالبة صافية على الجانب الآخر الجانب. لكن الشحنات لا تتراكم فعليًا على السطح ، كما هو الحال مع الموصلات ، بسبب الحركة المحدودة للإلكترونات في هذه المواد.

يحدث الاستقطاب عندما تغير الإلكترونات الموجودة في جسم مشحون محايدًا متوسط ​​موضعها بالنسبة إلى البروتونات ، مما يؤدي إلى مجموعتين من الإلكترونات (مناطق ذات كثافة إلكترون متزايدة موضعية) لكل جزيء وثنائي القطب الوقت الحاضر. التهمتينفمتساوية في الحجم والعكس في التوقيع. في ثنائي القطب الجزيئي ، يتم تحديد مدى الاستقطاب من خلال القابلية الكهربائية للمادة.ص= فد= العزم ثنائي القطب لـأعزبثنائي القطب في مادة عازلة.

لتكوين فكرة عن تأثير المجال الكهربائيهداخل العازل ككل ، ضع في اعتبارك مادة ذات كثافة حجم ثنائي القطبنثنائيات أقطاب الشحن لكل وحدة حجم. أنت الآن تفكر في عدد كبير من ثنائيات الأقطاب المجاورة ، مع شحنة موجبة طفيفة في أحد طرفي كل ثنائي القطب وشحنة سالبة طفيفة في الطرف الآخر. (وينتج عنهثنائي القطب ثنائي القطبعوامل الجذب بين + و- الرسوم في ثنائيات أقطاب من طرف إلى طرف.)

كثافة الاستقطاب العازلصيميز تركيز ثنائيات الأقطاب في المادة نتيجة لتأثير المجال الكهربائي بداخلها:ص= نص= Nqد.​

​صيتناسب مع قوة المجال الكهربائي ، كما تتوقع. يتم إعطاء هذه العلاقة من قبلص​ = ε₀χ₀​هأين ε₀ هو الثابت الكهربائي و₀ هي القابلية الكهربائية.

بعض الجزيئات مستقطبة بشكل طبيعي بالفعل. هذه تسمى الجزيئات القطبية. مثال على الجزيء القطبي هو الماء ، والذي يتكون من ذرتين هيدروجين مرتبطتين بذرة أكسجين واحدة. يعمل H₂جزيء O نفسه متماثل من حيث أنه يمكن تقسيمه إلى نصفين متساويين بواسطة مستوى يوضع بينهما في الاتجاه الصحيح.

الروابط بين ذرات الهيدروجين وذرات الأكسجين داخل نفس الجزيء هي روابط تساهمية ، لكنهابين هذه الذرات في جزيئات الماء المختلفةوتسمىروابط هيدروجينية. الإلكترونات المشتركة في الروابط التساهمية بين الهيدروجين والأكسجين تقع بالقرب من ذرة الأكسجين ، مما يجعل ذرة الأكسجين في H₂O كهرسلبية وذرات الهيدروجين كهربائيا. وبالتالي فإن التكوين الناتج للروابط الهيدروجينية بين الجزيئات المجاورة هو نتيجة قطبية الجزيئات ، التي تنتشر عبر عينة الماء بأكملها.

إذا كنت تحمل جسمًا مشحونًا بالقرب من تيار رقيق من الماء من الصنبور (وهو موصل بسبب وجود الأيونات والشوائب الأخرى) ، يمكنك أن ترى تدفق الماء يتحرك قليلاً نحو الجسم بسبب هذا التأثير. هذا لأن الجزيئات توجه نفسها بحيث تشير نهاية الجزيء مع الشحنة المعاكسة نحو الجسم المشحون.

تحدث ظاهرة فصل الشحنات بشكل مختلف قليلاً في الموصلات عنها في العوازل الكهربائية. بدلاً من أن تصبح الجزيئات ثنائيات الأقطاب ، يتم حث الإلكترونات الحرة على الانتقال إلى جانب واحد من المادة.

يمكن لقضيب زجاجي ، وهو عازل ، تجميع الإلكترونات الحرة وتصبح مشحونة إذا تم تمريرها عبر سطح مثل الصوف. (هذا مثال على نوع آخر من نقل الرسوم ،يخدعduction ، أو الاتصال المباشر.) إذا تم وضع قضيب سالب الشحنة بالقرب من كرةالمكشاف الكهربائيبدون لمسها ، سيتم "دفع الإلكترونات بعيدًا" ، وسوف تتحرك بحرية على طول الأسطح الموصلة للكرة باتجاه زوج من أوراق الألمنيوم المعلقة بالداخل. سترى الأوراق تتنافر.

لاحظ أن المكشاف الكهربائي لا يزال محايدًا كهربائيًا في المجموع ، لكن الشحنة موزعة بشكل مختلف. تتم موازنة "هروب" الإلكترونات نحو الأوراق الداخلية من خلال تسوية الشحنات الموجبة حيث يكون القضيب قريبًا من الكرة.

إذا كنت في الواقعيلمسالقضيب المشحون إلى الكرة ، سيتم نقل الإلكترونات من القضيب بسبب الشحنات الموجبة القريبة. عندما تسحب القضيب بعيدًا ، سيظل المكشاف مشحونًا ، لكن الشحنات السالبة ستوزع نفسها بالتساوي في جميع أنحاء الكرة.

الآن ، أنت في وضع يسمح لك بتجميع كل هذا معًا ومراقبة ما يحدث عندما تضع قضيبًا مشحونًا بالقرب من موصل قدأيضاأن تكون متصلاً بشيء آخر. (إن إحضار قضيب مشحون بالقرب من كرة موصلة وجذبه بعيدًا لجعل إلكترونات الكرة "ترقص" استجابة لذلك قد يصبح مملًا بعد فترة.)

افترض أن لديك قضيبًا عازلًا مشحونًا ، وأنك تقربه من كرة صلبة موصلة متصلة بالأرض بواسطة عمود عازل. على الرغم من أن الأقسام السابقة قد وصفت ثنائيات الأقطاب من حيث الجزيئات الفردية في المواد العازلة ، فإن نفس الظاهرة تحدث "بشكل جماعي" في الموصل عن طريق الحث. إذا كان الموصل عبارة عن كرة (كرة) ، فسوف تتدفق إلكترونات الموصل إلى سطح نصف الكرة المقابل لطرف القضيب.

تخيل ماذا يحدث إذا ، بينما يمسك أحد الأصدقاء بالقضيب من أعلى في مكانه ، قمت بإزاحة كرة ثانية ، محايدة أيضًا ، مقابل الكرة الأولى ، مباشرة مقابل وضع القضيب. ستنتهز الإلكترونات المتجمعة هناك الفرصة للابتعاد عن القضيب وإلكتروناته الطاردة ، وستنتقل إلى الجانب البعيد منهذاجسم كروى.

الآن يمكنك أن تصبح مبدعا. إذا كنت تريد أن تظل الكرة الثانية مشحونة ، فما عليك سوى سحب الكرتين بعيدًابينما القضيب لا يزال في مكانه(وبالتالي "تشتت" الشحنات الإيجابية). سيتم نقل الإلكترونات في النهاية من القضيب إلى الكرة الثانية ، حيث توزع نفسها بالتساوي عبر سطحها. تعود الكرة الأولى إلى حالتها الأولية المحايدة والموحدة.

• تلعب الأجسام غير المتماثلة نفس القواعد الفيزيائية ، ولكن ليس من السهل معرفة السلوك "الدقيق" للإلكترونات كما هو الحال في حالة الكرات.

هل فكرت يوما في ماذاالأسلاك الأرضيةتفعل أو كيف تعمل؟ تعتبر الأرض محايدة كهربائيًا ، لكنها واسعة بما يكفي لامتصاص الاضطرابات المحلية المسؤولة دون عواقب. لهذا السبب ، يمكن أن تعمل الأرض كخزان كبير أو مخزن مؤقت للشحن ، حيث تزود الإلكترونات حسب الحاجة من خلال الأسلاك الأرضية إلى تحييد الأجسام المشحونة إيجابياً ، أو قبولها من أجسام سالبة الشحنة عبر السلك المقابل اتجاه.

لذلك ، من أجل منع الجهد غير المرغوب فيه بفضل التراكم الكبير لشحنات الشبكة على الأجسام الكبيرة الموصلة ، توفر الأسلاك الأرضية ميزة أمان في عالم حديث للغاية كهربائي.