Polarizace a elektrická indukce: Co to je a jak to funguje? (s příklady)

I když jste v oboru fyzikální vědy známém jako elektromagnetismus noví, pravděpodobně víte, že podobné odpuzující náboje přitahují opačné náboje; to znamená, že kladný náboj bude přitahován k zápornému náboji, ale bude mít tendenci odpuzovat další kladný náboj, přičemž stejné jednoduché pravidlo bude držet obráceně. (Toto je základ každodenního rčení „přitahují protiklady“; zda je to v romantice pravda, je možná otevřená otázka, ale je to určitě případ elektrických nábojů na atomech a molekulách.)

Možná však nevíte, že je možné, že nabitý objekt bude přitahován k neutrálnímu objektu - tedy k objektu bez čistého náboje. To je možné díky fenoménupolarizace náboje, což odpovídá skutečnosti, že molekuly, které jsou celkově elektricky neutrální, mohou mít v sobě asymetrické rozložení náboje. Analogicky by město mohlo mít stejný počet obyvatel pod 40 a nad 40 let, ale jejich rozdělení v rámci hranic města je téměř jistě asymetrické.

• ​Molekulyjsou soubory dvou nebo více atomů představujících nejmenší chemickou jednotku konkrétní sloučeniny; tyto atomy mohou představovat stejný prvek, jako je plynný kyslík (O
  instagram story viewer
  ₂), nebo obsahují více prvků, jako u oxidu uhličitého (CO₂).

Přenos elektrického náboje pomocíindukce- význam bez přímého dotyku objektů, které si vyměňují náboje ve formě volných elektronů - se točí kolem strategického umístění vodičů, což jsou materiály, kterými snadno protéká proud, a izolátory, což jsou materiály, kterými proud nemůže tok. Ale více než to, spoléhá se na polarizaci celých objektů vyplývající z polarizace jejich základních molekul, které lze modulovat pomocí elektrického pole.

Podobně jako lineární a rotační pohybové rovnice jsou si navzájem analogické, matematika je základem účinkůelektrické pole​ ​Epůsobení na bodové náboje se silně podobá tomu, které popisuje účinky gravitačního pole působícího na bodové hmoty. Síla elektrického pole je dána vztahem

• Vektor elektrického pole ukazuje ve stejném směru jako vektor elektrické síly, kdyžqje pozitivní. JednotkyEjsou newtony na coulomb (N / C).

Bodové náboje vytvářejí vlastní elektrická pole. (Pamatujte, že „bodové“ náboje mohou mít jakoukoli velikost a stále je nelze chápat tak, že zabírají jakýkoli objem.) Výraz pro toto je:

kdekje konstanta 9 × 10⁹ Nm²/C² arje posunutí (vzdálenost a směr) mezi nábojem a jakýmkoli bodem, ve kterém je pole hodnoceno. Kombinace dvou hlavních rovnic výše dává:

Tento vztah je známý jakoCoulombův zákon​.

Pokud každý bodový náboj vytvoří své vlastní elektrické pole, je možné mít jednotné elektrické pole - to znamená takové, ve kterém velikost a směrEje stejný? Z důvodů, které uvidíte, je potřeba jednotné pole, aby síla sítě na dipólu byla nulová.

Umístěním dvou nekonečně velkých vodivých desek vzájemně rovnoběžně a umístěním izolačního materiálu nebo dielektrického materiálu mezi ně lze dosáhnout elektrické pole, které se má generovat, pokud je mezi nimi stanoveno napětí (rozdíl elektrického potenciálu), například když jsou různé desky připojeny k a baterie.

Toto uspořádání je přibližné při výroběkondenzátory, které ukládají elektrický náboj v obvodech. Čáry elektrického pole jsou kolmé na desky a směřují k negativně desce. Jak se ale na začátku těchto jednotek hromadí náboje?

Síťová elektrická pole nemohou uvnitř vodičů existovat. Je to proto, že pokud se elektrony mohou volně pohybovat, budou to dělat, dokud nebudou v rovnováze, kde je součet všech sil a momentů nulový, a protože F = qE,Emusí být nula. Jinými slovy, pohyb volných elektronů ve vodiči vyhlazuje jakékoli elektrické pole, které by existovalo „vyrovnáním“ posunem elektronů.

Situace uvnitř izolátorů je zcela odlišná. Všechny atomy se skládají z kladně nabitého jádra obklopeného elektronovým mrakem. V přítomnosti vnějšího elektrického pole (pravděpodobně způsobeného přítomností nabitého objektu) se mohou elektronové mraky posunout, což vede kdipólový momenta čistá elektrická síla.

Ačkoli v izolátoru není žádný čistý náboj, je-li vzorkována jakákoli jeho část, přítomnost dipólových momentů vede k akumulaci čistého kladného náboje na jedné straně vzorku a čistého záporného náboje na druhé straně boční. Ale náboje se ve skutečnosti nehromadí na povrchu, jako u vodičů, kvůli omezenému pohybu elektronů v těchto materiálech.

K polarizaci dochází, když elektrony v neutrálně nabitém objektu posunou svou průměrnou polohu vzhledem k protony, což má za následek dva "shluky" elektronů (oblasti lokalizované zvýšené hustoty elektronů) na molekulu a dipól okamžik. Tyto dva poplatky jsouqstejné velikosti a opačné znaménko. V molekulárním dipólu je rozsah polarizace určen elektrickou susceptibilitou materiálu.p= qd= dipólový moment asingldipól v dielektrickém materiálu.

Získat představu o účinku elektrického poleEuvnitř izolátoru jako celku zvažte materiál s objemovou hustotou dipóluNnabíjejte dipóly na jednotku objemu. Nyní uvažujete o velkém počtu sousedních dipólů, s mírným kladným nábojem na jednom konci každého dipólu a mírným záporným nábojem na druhém konci. (Výsledkem jedipól-dipólatrakce mezi náboji + a - v koncových dipólech.)

Hustota dielektrické polarizacePcharakterizuje koncentraci dipólů v materiálu v důsledku vlivu elektrického pole v něm:P= Np= Nqd.​

​Pje úměrná síle elektrického pole, jak byste očekávali. Tento vztah je dánP​ = ε₀χ₀​E, kde ε₀ je elektrická konstanta a χ₀ je elektrická susceptibilita.

Některé molekuly jsou již přirozeně polarizovány. Nazývají se polární molekuly. Příkladem polární molekuly je voda, která se skládá ze dvou atomů vodíku navázaných na jeden atom kyslíku. H₂Samotná molekula O je symetrická v tom, že ji lze rozdělit na stejné poloviny rovinou umístěnou mezi nimi ve správné orientaci.

Vazby mezi atomy vodíku a atomy kyslíku ve stejné molekule jsou kovalentní vazby, ale tymezi těmito atomy v různých molekulách vodyse nazývajíVodíkové vazby. Elektrony sdílené v kovalentních vazbách mezi vodíkem a kyslíkem leží mnohem blíže k atomu kyslíku, čímž se atom kyslíku nachází v H₂O elektronegativní a atomy vodíku elektropozitivní. Výsledná tvorba vodíkových vazeb mezi sousedními molekulami je tedy důsledkem polarity molekul, která se šíří celým vzorkem vody.

Pokud držíte nabitý předmět v blízkosti tenkého proudu vody z faucetu (což je vodič pouze kvůli přítomnost iontů a jiných nečistot), můžete vidět, jak se proud vody tak mírně pohybuje směrem k objektu kvůli tento efekt. Je to proto, že se molekuly orientují tak, že konec molekuly s opačným nábojem směřuje k nabitému objektu.

Fenomén oddělení náboje se u vodičů děje trochu jinak než v dielektrikách. Místo toho, aby se molekuly staly dipóly, jsou volné elektrony indukovány k pohybu na jednu stranu materiálu.

Skleněná tyč, která je izolátorem, může shromažďovat volné elektrony a nabít se, pokud je přejedete přes povrch, jako je vlna. (Toto je příklad jiného druhu přenosu poplatků,ošiditvedení nebo přímý kontakt.) Pokud se v blízkosti kulové koule přivede záporně nabitá tyčelektroskopaniž by se toho dotkli, elektrony budou „odstrčeny“ a budou se volně pohybovat po vodivých plochách koule směrem k dvojici hliníkových listů visících uvnitř. Uvidíte, jak se listy navzájem odpuzují.

Všimněte si, že elektroskop je celkově stále elektricky neutrální, ale náboj je distribuován odlišně. „Útěk“ elektronů směrem k listům uvnitř je vyvážen usazováním kladných nábojů, kde je tyč blízko koule.

Kdybys měl ve skutečnostidoteknabitou tyčí do koule, elektrony budou přeneseny z tyče kvůli kladným nábojům poblíž. Když tyč odtáhnete, elektroskop zůstane nabitý, ale záporné náboje se rovnoměrně rozloží po celé kouli.

Nyní jste v pozici, kdy to všechno dát dohromady a sledovat, co se stane, když umístíte nabitou tyč blízko vodiče, který můžetakybýt spojen s něčím jiným. (Přiblížení nabité tyče k vodivé kouli a její vytrhnutí, aby vlastní elektrony koule „tancovaly“ v reakci, může být po čase nudné.)

Předpokládejme, že máte nabitou izolační tyč a přivedete ji blízko pevné vodivé koule připojené k zemi izolačním sloupkem. Ačkoli předchozí části popsaly dipóly z hlediska jednotlivých molekul v dielektrikách, stejný jev je indukován „hromadně“ ve vodiči indukcí. Pokud je vodičem koule (koule), elektrony vodiče budou proudit na povrch polokoule naproti špičce tyče.

Představte si, co se stane, když, zatímco kamarád drží prut shora na místě, zasunete druhou, také neutrální vodivou kouli proti první, přímo naproti umístění prutu. Shromážděné elektrony využijí příležitost dostat se dále od tyče a jejích odpuzujících elektronů a přesunou se na druhou stranutentokoule.

Nyní můžete být kreativní. Pokud chcete, aby druhá koule zůstala nabitá, jednoduše obě koule odděltezatímco je tyč stále na svém místě(a tím „odvádí pozornost“ kladných nábojů). Elektrony budou nakonec přeneseny z tyče do druhé koule, kde se rovnoměrně distribuují po jejím povrchu. První míč se vrátí do původního neutrálního a uniformního stavu.

• Nesymetrické objekty hrají podle stejných fyzikálních pravidel, ale není tak snadné zjistit „přesné“ chování elektronů, jako je tomu v případě koulí.

Přemýšleli jste někdy nad čímzemnící vodičedělají, nebo jak fungují? Země je považována za elektricky neutrální, ale je dostatečně rozsáhlá na to, aby bez následků absorbovala místní narušení. Z tohoto důvodu může Země působit jako obrovský rezervoár nebo vyrovnávací paměť a podle potřeby dodávat elektrony zemními vodiči neutralizujte kladně nabité objekty nebo je přijímejte ze záporně nabitých předmětů drátem v opačném směru směr.

Aby se zabránilo nežádoucímu napětí díky značné akumulaci síťových nábojů na velkých vodivých objektech, nabízejí zemnicí vodiče bezpečnostní prvek ve vysoce elektrickém moderním světě.