Polarisering og elektrisk induktion: Hvad er det, og hvordan fungerer det? (med eksempler)

Selvom du er ny inden for disciplinen inden for naturvidenskab kendt som elektromagnetisme, er du sandsynligvis klar over, at lignende afgifter frastøder og modsatte afgifter tiltrækker; det vil sige, en positiv ladning vil blive tiltrukket af en negativ ladning, men vil have en tendens til at afvise en anden positiv ladning, med den samme enkle regel, der holder omvendt. (Dette er grundlaget for det daglige ordsprog "modsætninger tiltrækker"; om dette er tilfældet i romantik er måske et åbent spørgsmål, men det er bestemt tilfældet, når det kommer til elektriske ladninger på atomer og molekyler.)

Du ved dog ikke, at det er muligt for et ladet objekt at blive tiltrukket af et neutralt objekt - det vil sige et objekt uden nettoladning. Dette er muligt gennem fænomenetladningspolarisering, som tegner sig for det faktum, at molekyler, der generelt er elektrisk neutrale, kan have en asymmetrisk ladningsfordeling inden i sig. Som analogi kan en by have lige mange under 40 og over 40 beboere, men deres fordeling inden for byens grænser er næsten helt sikkert asymmetrisk.

• ​Molekylerer samlinger af to eller flere atomer, der repræsenterer den mindste kemiske enhed af en bestemt forbindelse; disse atomer kan repræsentere det samme element, såsom iltgas (O₂) eller inkludere flere grundstoffer som med kuldioxid (CO₂).

Overførsel af elektrisk ladning vedinduktion- hvilket betyder uden direkte berøring af objekterne, der udveksler ladninger i form af frie elektroner - drejer sig om det strategiske placering af ledere, som er materialer, der strømmer let igennem, og isolatorer, som er materialer, gennem hvilke strøm ikke kan strømme flyde. Men mere end det er det afhængig af polarisering af hele objekter, der stammer fra polarisationen af ​​deres sammensatte molekyler, som kan moduleres ved hjælp af et elektrisk felt.

På samme måde som de lineære og roterende ligninger af bevægelse er analoge med hinanden, ligger matematikken bag virkningerne af enelektrisk felt​ ​Eat handle på punktafgifter ligner stærkt den, der beskriver virkningerne af et tyngdefelt, der virker på punktmasser. Kraften i et elektrisk felt er givet af

• Den elektriske feltvektor peger i samme retning som den elektriske kraftvektor gør nårqer positiv. Enhederne iEer newton pr. coulomb (N / C).

Punktafgifter etablerer deres egne elektriske felter. (Husk, at "punkt" -ladninger kan have en hvilken som helst størrelse og stadig ikke opfattes som optagende lydstyrke.) Udtrykket for dette er:

hvorker konstant 9 × 10⁹ Nm²/ C² ogrer forskydningen (afstand og retning) mellem ladningen og ethvert punkt, hvor marken vurderes. At kombinere de to hovedligninger ovenfor giver:

Dette forhold er kendt somCoulombs lov​.

Hvis hver punktladning etablerer sit eget elektriske felt, er det muligt at have et ensartet elektrisk felt - det vil sige et, hvor størrelsen og retningen afEer den samme? Af grunde, du kan se, kræves et ensartet felt for at nettokraften på en dipol skal være nul.

Placering af to uendeligt store ledende plader parallelt med hinanden og anbringelse af et isolerende materiale eller dielektrisk materiale mellem dem giver mulighed for en elektrisk felt, der skal genereres, hvis der etableres en spænding (elektrisk potentialforskel) mellem dem, f.eks. når de forskellige plader er fastgjort til en batteri.

Dette arrangement tilnærmes ved fremstillingen afkondensatorer, der lagrer elektrisk ladning i kredsløb. De elektriske feltlinjer er vinkelrette på pladerne og peger mod den negative plade. Men hvordan opbygger der sig ladninger på overfladen af ​​disse enheder til at begynde med?

Elektriske felter i nettet kan ikke eksistere inden i ledere. Dette skyldes, at hvis elektroner er frie til at bevæge sig, vil de gøre det, indtil de er i ligevægt, hvor summen af ​​alle kræfter og drejningsmomenter er nul, og da F = qE,Eskal være nul. Med andre ord udslettes bevægelsen af ​​frie elektroner i en leder ethvert elektrisk felt, der ville eksistere ved at "udjævne det" via et elektronskift.

Situationen inden for isolatorer er en helt anden. Alle atomer består af en positivt ladet kerne omgivet af en elektronsky. I nærvær af et eksternt elektrisk felt (måske forårsaget af tilstedeværelsen af ​​en ladet genstand) kan elektronskyerne skifte, hvilket resulterer i endipolmomentog en netto elektrisk kraft.

Selvom der ikke er nogen nettoladning i en isolator, hvis nogen del af den samples, tilstedeværelsen af ​​dipolmomenter fører til akkumulering af netto positiv ladning på den ene side af prøven og en negativ negativ ladning på den anden side. Men ladninger akkumuleres faktisk ikke på overfladen, som med ledere, på grund af den begrænsede bevægelse af elektroner i disse materialer.

Polarisering opstår, når elektronerne inden for et neutralt ladet objekt skifter deres gennemsnitlige position i forhold til protoner, hvilket resulterer i to "klynger" af elektroner (områder med lokaliseret øget elektrondensitet) pr. molekyle og en dipol øjeblik. De to anklager erqlige i størrelse og modsat i tegn. I en molekylær dipol bestemmes omfanget af polarisering af materialets elektriske følsomhed.s= qd= dipolmomentet for aenkeltdipol i et dielektrisk materiale.

For at få en fornemmelse af effekten af ​​det elektriske feltEinde i isolatoren som helhed skal du overveje et materiale med en dipolvolumendensitet påNoplad dipoler pr. volumenhed. Du overvejer nu et stort antal tilstødende dipoler med en let positiv ladning i den ene ende af hver dipol og en let negativ ladning i den anden ende. (Dette resulterer idipol-dipolattraktioner mellem + og - afgifter i ende-til-ende dipoler.)

Den dielektriske polarisationsdensitetPkarakteriserer koncentrationen af ​​dipoler i materialet som et resultat af indflydelsen af ​​det elektriske felt i det:P= Ns= Nqd.​

​Per proportional med styrken i det elektriske felt, som du ville forvente. Dette forhold er givet afP​ = ε₀χ₀​Ehvor ε₀ er den elektriske konstant og χ₀ er den elektriske modtagelighed.

Nogle molekyler er allerede naturligt polariserede. Disse kaldes polære molekyler. Et eksempel på polært molekyle er vand, der består af to hydrogenatomer bundet til et enkelt oxygenatom. H₂O-molekylet i sig selv er symmetrisk, idet det kan opdeles i lige store halvdele af et plan placeret mellem dem i den rigtige retning.

Bindingerne mellem hydrogenatomer og iltatomer inden for det samme molekyle er kovalente bindinger, men demellem disse atomer i forskellige vandmolekylerhedderhydrogenbindinger. Elektronerne, der deles i kovalente bindinger mellem brint og ilt, ligger meget tættere på iltatomet, hvilket gør iltatomet i H₂O elektronegative og hydrogenatomer elektropositive. Den resulterende dannelse af hydrogenbindinger mellem tilstødende molekyler er således en konsekvens af molekylernes polaritet, som udbreder sig gennem hele vandprøven.

Hvis du holder en ladet genstand i nærheden af ​​en tynd strøm af vand fra en vandhane (som kun er en leder på grund af tilstedeværelse af ioner og andre urenheder), kan du se vandstrømmen bevæge sig lige så lidt mod objektet pga denne effekt. Dette skyldes, at molekylerne orienterer sig således, at enden af ​​molekylet med den modsatte ladning peger mod det ladede objekt.

Fænomenet ladningsseparation sker lidt anderledes i ledere end i dielektrikum. I stedet for at molekyler bliver dipoler, induceres frie elektroner til at bevæge sig til den ene side af materialet.

En glasstang, som er en isolator, kan samle frie elektroner og blive ladet, hvis den stryges over en overflade som uld. (Dette er et eksempel på den anden form for overførsel af gebyrer,conledning eller direkte kontakt.) Hvis en negativt ladet stang bringes i nærheden af ​​enelektroskopuden at røre ved det, bliver elektroner "skubbet væk", og de bevæger sig frit langs kuglens ledende overflader mod det par aluminiumblade, der hænger indeni. Du vil se bladene frastøde hinanden.

Bemærk, at elektroskopet i alt stadig er elektrisk neutral, men ladningen fordeles forskelligt. Elektronernes "flygning" mod bladene indeni afbalanceres ved aflejring af positive ladninger, hvor stangen er tæt på sfæren.

Hvis du faktisk skullerøre vedden ladede stang til kuglen overføres elektroner fra stangen på grund af de positive ladninger i nærheden. Når du trækker stangen væk, forbliver elektroskopet ladet, men de negative ladninger fordeler sig jævnt gennem bolden.

Nu er du i stand til at sætte alt dette sammen og observere, hvad der sker, når du placerer en ladet stang tæt på en leder, der muligvisogsåvære forbundet med noget andet. (At bringe en ladet stang tæt på en ledende kugle og trække den væk for at få kuglens egne elektroner til at "danse" som reaktion kan blive kedeligt efter en tid.)

Antag, at du har en ladet isoleringsstang, og du bringer den tæt på en solid ledende kugle, der er forbundet med jorden ved hjælp af en isolerende stolpe. Selvom tidligere sektioner har beskrevet dipoler med hensyn til individuelle molekyler i dielektrikum, induceres det samme fænomen "en masse" i en leder via induktion. Hvis lederen er en kugle (kugle), vil lederens elektroner flyde til overfladen af ​​halvkuglen overfor spidsen af ​​stangen.

Forestil dig hvad der sker, hvis du, mens en ven holder stangen ovenfra på plads, glider en anden, også neutral ledende kugle op mod den første, lige overfor stangplaceringen. Elektronerne samlet der vil benytte lejligheden til at komme endnu længere væk fra stangen og dens frastødende elektroner og vil bevæge sig til den anden side afdet herkugle.

Nu kan du blive kreativ. Hvis du vil have, at den anden kugle forbliver ladet, skal du blot trække de to kugler fra hinandenmens stangen stadig er på plads(og dermed "distraherende" positive ladninger). Elektroner vil i sidste ende være blevet overført fra stangen til den anden sfære, hvor de fordeler sig jævnt over dens overflade. Den første bold vender tilbage til sin oprindelige neutrale og ensartede tilstand.

• Ikke-symmetriske objekter spiller efter de samme fysiske regler, men det er ikke så let at finde ud af elektronernes "nøjagtige" opførsel, som det er tilfældet med sfærer.

Har du nogensinde overvejet hvadjordledningergør, eller hvordan de fungerer? Jorden betragtes som elektrisk neutral, men den er stor nok til at absorbere lokale forstyrrelser med ansvar uden konsekvens. På grund af dette kan Jorden fungere som et stort reservoir eller opladningsbuffer og levere elektroner efter behov gennem jordledninger til neutralisere positivt ladede genstande eller acceptere dem fra negativt ladede genstande gennem ledningen i det modsatte retning.

For at forhindre uønsket spænding takket være den betydelige akkumulering af nettoladninger på store ledende genstande tilbyder jordledninger en sikkerhedsfunktion i en meget elektrisk moderne verden.