Поляризация и електрическа индукция: Какво е това и как работи? (с / примери)

Дори и да сте нов в дисциплината във физическата наука, известна като електромагнетизъм, вероятно сте наясно, че подобните заряди отблъскват и противоположните заряди се привличат; това означава, че положителен заряд ще бъде привлечен към отрицателен заряд, но ще има тенденция да отблъсне друг положителен заряд, със същото просто правило, което се държи обратно. (Това е основата на ежедневната поговорка „противоположностите се привличат“; дали това е вярно в романтиката, може би е отворен въпрос, но със сигурност е така, когато става въпрос за електрически заряди върху атоми и молекули.)

Може обаче да не знаете, че е възможно зареден обект да бъде привлечен към неутрален обект - тоест обект без нетен заряд. Това е възможно чрез феномена наполяризация на заряда, което отчита факта, че молекулите, които са електрически неутрални като цяло, могат да имат асиметрично разпределение на заряда в себе си. По аналогия град може да има равен брой под 40 и над 40 жители, но тяхното разпределение в границите на града е почти сигурно асиметрично.

• ​Молекулиса колекции от два или повече атома, представляващи най-малката химическа единица на определено съединение; тези атоми могат да представляват един и същ елемент, като кислороден газ (O₂), или включват множество елементи, както при въглеродния диоксид (CO₂).

Прехвърлянето на електрически заряд чрезиндукция- смисъл без директно докосване на обектите, които обменят заряди под формата на свободни електрони - върти се около стратегическото поставяне на проводници, които са материали, през които токът лесно протича, и изолатори, които са материали, през които токът не може поток. Но повече от това, той разчита на поляризацията на цели обекти, произтичаща от поляризацията на съставните им молекули, която може да бъде модулирана с помощта на електрическо поле.

Подобно на начина, по който линейните и ротационните уравнения на движението са аналогични помежду си, математиката, в основата на ефектите наелектрическо поле​ ​Е.въздействието върху точкови заряди силно наподобява това, което описва ефектите на гравитационното поле, действащо върху точкови маси. Силата на електрическото поле се дава от

• Векторът на електрическото поле сочи в същата посока, както и векторът на електрическата сила, когатоqе положителен. Единиците наЕ.са нютони на кулон (N / C).

Точковите заряди установяват свои собствени електрически полета. (Не забравяйте, че "точковите" такси могат да имат всякакъв мащаб и въпреки това да не се смятат за заемащи никакъв обем.) Изразът за това е:

къдетоке константата 9 × 10⁹ Нм²/° С² иrе изместването (разстояние и посока) между заряда и всяка точка, в която се оценява полето. Комбинирането на двете основни уравнения по-горе дава:

Тази връзка е известна катоЗаконът на Кулон​.

Ако всеки точков заряд установява свое собствено електрическо поле, възможно ли е да има равномерно електрическо поле - т.е. такова, в което величината и посоката наЕ.е същото? По причини, които ще видите, е необходимо еднакво поле, за да бъде нетната сила върху дипола нула.

Поставянето на две безкрайно големи проводящи плочи успоредно една на друга и поставянето на изолационен материал или диелектричен материал между тях позволява електрическо поле, което се генерира, ако между тях се установи напрежение (разлика в електрическия потенциал), например когато различните плочи са прикрепени към a батерия.

Това споразумение е приблизително при производството накондензатори, които съхраняват електрически заряд във вериги. Линиите на електрическото поле са перпендикулярни на плочите и сочат към отрицателната плоча. Но как започват да се натрупват заряди върху повърхностите на тези единици?

Чистите електрически полета не могат да съществуват вътре в проводниците. Това е така, защото, ако електроните са свободни да се движат, те ще го правят, докато достигнат равновесие, където сумата от всички сили и въртящи моменти е нула и тъй като F = qE,Е.трябва да е нула. С други думи, движението на свободните електрони в проводник заличава всяко електрическо поле, което би съществувало чрез „изравняване“ чрез изместване на електроните.

Ситуацията вътре в изолаторите е съвсем различна. Всички атоми се състоят от положително заредено ядро, заобиколено от електронен облак. В присъствието на външно електрическо поле (може би причинено от присъствието на зареден обект), електронните облаци могат да се изместват, което води додиполен моменти нетна електрическа сила.

Въпреки че в изолатора няма нетен заряд, ако се вземе проба от част от него, наличието на диполни моменти води до натрупване на нетен положителен заряд от едната страна на пробата и нетен отрицателен заряд от другата страна. Но зарядите всъщност не се натрупват на повърхността, както при проводниците, поради ограниченото движение на електрони в тези материали.

Поляризацията възниква, когато електроните в неутрално зареден обект изместят средното си положение спрямо протони, в резултат на което се образуват два „клъстера“ от електрони (области с локализирана увеличена електронна плътност) на молекула и дипол момент. Двете обвинения саqравни по големина и противоположни по знак. В молекулен дипол степента на поляризация се определя от електрическата чувствителност на материала.стр= qд= диполният момент на aнеженендипол в диелектричен материал.

За да придобиете усещане за ефекта на електрическото полеЕ.вътре в изолатора като цяло, разгледайте материал с диполна обемна плътностнзарядни диполи на единица обем. Сега разглеждате голям брой съседни диполи, с лек положителен заряд в единия край на всеки дипол и лек отрицателен заряд в другия край. (Това води додипол-диполатракции между + и - заряди в диполи от край до край.)

Диелектричната поляризационна плътностPхарактеризира концентрацията на диполи в материала в резултат на влиянието на електрическото поле в него:P= Nстр= Nqд.​

​Pе пропорционално на силата на електрическото поле, както бихте очаквали. Тази връзка е дадена отP​ = ε₀χ₀​Е., където ε₀ е електрическата константа и χ₀ е електрическата възприемчивост.

Някои молекули вече са естествено поляризирани. Те се наричат ​​полярни молекули. Пример за полярна молекула е водата, която се състои от два водородни атома, свързани към един кислороден атом. H₂Самата O молекула е симетрична, тъй като може да бъде разделена на равни половини чрез равнина, поставена между тях в правилната ориентация.

Връзките между водородните атоми и кислородните атоми в рамките на една и съща молекула са ковалентни връзки, но тезимежду тези атоми в различни водни молекулиса наречениводородни връзки. Електроните, споделени в ковалентни връзки между водород и кислород, лежат много по-близо до кислородния атом, което прави кислородния атом в Н₂O електроотрицателни и водородните атоми електропозитивни. Резултантното образуване на водородни връзки между съседни молекули следователно е следствие от полярността на молекулите, която се разпространява през цялата водна проба.

Ако държите зареден обект близо до тънка струя вода от кран (който е проводник, дължащ се само на присъствие на йони и други примеси), можете да видите как водният поток се движи все по-леко към обекта поради този ефект. Това е така, защото молекулите се ориентират така, че краят на молекулата с противоположния заряд да сочи към заредения обект.

Явлението разделяне на заряда се случва малко по-различно в проводниците, отколкото в диелектриците. Вместо молекулите да станат диполи, свободните електрони се индуцират да се преместят от едната страна на материала.

Стъклен прът, който е изолатор, може да събира свободни електрони и да се зарежда, ако се плъзне по повърхност като вълна. (Това е пример за другия вид прехвърляне на такса,конили директен контакт.) Ако се доближи отрицателно зареден прът близо до топката наелектроскопбез да го докосват, електроните ще бъдат "изтласкани" и те ще се движат свободно по проводящите повърхности на топката към двойката алуминиеви листа, висящи вътре. Ще видите, че листата се отблъскват.

Обърнете внимание, че електроскопът все още е електрически неутрален като цяло, но зарядът се разпределя по различен начин. "Бягството" на електроните към листата вътре се балансира от утаяването на положителни заряди там, където пръчката е близо до сферата.

Ако трябваше всъщностдокосванезаредената пръчка към топката, електроните ще се прехвърлят от пръчката поради положителните заряди наблизо. Когато издърпате пръчката, електроскопът ще остане зареден, но отрицателните заряди ще се разпределят равномерно в цялата топка.

Сега сте в състояние да съберете всичко това заедно и да наблюдавате какво се случва, когато поставите зареден прът близо до проводник, който можесъщода бъде свързан с нещо друго. (Приближаването на зареден прът близо до проводяща сфера и издърпването му, за да накарат собствените електрони на сферата да „танцуват“ в отговор, може да стане скучно след известно време.)

Да предположим, че имате зареден изолационен прът и го доближавате до плътна проводяща сфера, свързана със земята чрез изолиращ стълб. Въпреки че предишните раздели са описвали диполи по отношение на отделни молекули в диелектриците, същото явление се индуцира „масово“ в проводник чрез индукция. Ако проводникът е сфера (топка), електроните на проводника ще потекат към повърхността на полусферата срещу върха на пръта.

Представете си какво се случва, ако, докато приятел държи пръта отгоре на място, плъзнете втора, също неутрална проводяща топка срещу първата, точно срещу поставянето на пръта. Електроните, събрани там, ще се възползват от възможността да се отдалечат още по-далеч от пръчката и нейните отблъскващи електрони и ще се преместят в далечната страна натовасфера.

Сега можете да станете креативни. Ако искате втората топка да остане заредена, просто дръпнете двете топкидокато пръчката все още е на мястото си(и по този начин "разсейва" положителните заряди). Електроните ще бъдат прехвърлени в крайна сметка от пръчката във втората сфера, където те ще се разпределят равномерно по повърхността му. Първата топка се връща в първоначалното си неутрално и еднородно състояние.

• Несиметричните обекти играят по същите физически правила, но не е толкова лесно да се разбере „точното“ поведение на електроните, както в случая на сферите.

Замисляли ли сте се някога каквозаземяващи проводнициправят или как работят? Земята се счита за електрически неутрална, но е достатъчно голяма, за да поеме отговорните локални смущения без последствия. Поради това Земята може да действа като огромен резервоар или буферен заряд, като доставя електрони, ако е необходимо, чрез земни проводници към неутрализирайте положително заредени обекти или ги приемайте от отрицателно заредени обекти през жицата в обратното посока.

Така че, за да се предотврати нежеланото напрежение, благодарение на значителното натрупване на нетни заряди върху големи проводими обекти, заземяващите проводници предлагат функция за безопасност в съвременния електрически свят.