Polarisation und elektrische Induktion: Was ist das und wie funktioniert es? (mit Beispielen)

Selbst wenn Sie neu in der als Elektromagnetismus bekannten Disziplin der Physik sind, wissen Sie wahrscheinlich, dass sich gleiche Ladungen abstoßen und entgegengesetzte Ladungen anziehen. das heißt, eine positive Ladung wird von einer negativen Ladung angezogen, neigt aber dazu, eine andere positive Ladung abzustoßen, wobei die gleiche einfache Regel umgekehrt gilt. (Dies ist die Grundlage des alltäglichen Sprichworts "Gegensätze ziehen sich an"; ob dies in der Romantik zutrifft, ist vielleicht eine offene Frage, aber es ist sicherlich der Fall, wenn es um elektrische Ladungen an Atomen und Molekülen geht.)

Möglicherweise wissen Sie jedoch nicht, dass ein geladenes Objekt von einem neutralen Objekt angezogen werden kann – d. h. einem Objekt ohne Nettoladung. Dies ist möglich durch das Phänomen derLadungspolarisation, was der Tatsache Rechnung trägt, dass insgesamt elektrisch neutrale Moleküle eine asymmetrische Ladungsverteilung in sich haben können. Als Analogie könnte eine Stadt die gleiche Anzahl von unter 40 und über 40 Einwohnern haben, aber ihre Verteilung innerhalb der Stadtgrenzen ist mit ziemlicher Sicherheit asymmetrisch.

• ​Molekülesind Ansammlungen von zwei oder mehr Atomen, die die kleinste chemische Einheit einer bestimmten Verbindung darstellen; diese Atome können das gleiche Element darstellen, z. B. Sauerstoffgas (O₂) oder mehrere Elemente enthalten, wie bei Kohlendioxid (CO₂).

Die Übertragung elektrischer Ladung durchInduktion– also ohne direkte Berührung der Gegenstände, die Ladungen in Form von freien Elektronen austauschen – dreht sich um das Strategische Platzierung von Leitern, bei denen es sich um Materialien handelt, durch die Strom leicht fließen kann, und Isolatoren, bei denen es sich um Materialien handelt, durch die kein Strom fließt fließen. Aber darüber hinaus beruht es auf der Polarisation ganzer Objekte, die aus der Polarisation ihrer einzelnen Moleküle resultiert, die mit Hilfe eines elektrischen Feldes moduliert werden können.

Ähnlich wie die linearen und die rotatorischen Bewegungsgleichungen zueinander analog sind, ist die Mathematik, die den Auswirkungen von an. zugrunde liegt,elektrisches Feld​ ​EDie Wirkung auf Punktladungen ähnelt stark der Beschreibung der Auswirkungen eines Gravitationsfeldes, das auf Punktmassen einwirkt. Die Kraft eines elektrischen Feldes ist gegeben durch

• Der Vektor des elektrischen Feldes zeigt in die gleiche Richtung wie der Vektor der elektrischen Kraft, wennqist positiv. Die Einheiten vonEsind Newton pro Coulomb (N/C).

Punktladungen bauen ihre eigenen elektrischen Felder auf. (Denken Sie daran, dass "Punkt"-Ladungen jede beliebige Größe haben können und dennoch kein Volumen einnehmen.) Der Ausdruck dafür lautet:

wokist die Konstante 9 ×10⁹ Nm²/C² undrist die Verschiebung (Entfernung und Richtung) zwischen der Ladung und einem beliebigen Punkt, an dem das Feld bewertet wird. Die Kombination der beiden obigen Hauptgleichungen ergibt:

Diese Beziehung ist bekannt alsCoulomb-Gesetz​.

Wenn jede Punktladung ihr eigenes elektrisches Feld aufbaut, ist es dann möglich, ein einheitliches elektrisches Feld zu haben, d. h. eines, in dem Größe und Richtung vonEist dasselbe? Aus Gründen, die Sie sehen werden, ist ein gleichmäßiges Feld erforderlich, damit die Nettokraft auf einen Dipol null ist.

Das Platzieren von zwei unendlich großen leitenden Platten parallel zueinander und das Platzieren eines isolierenden Materials oder dielektrischen Materials zwischen ihnen ermöglicht eine elektrisches Feld, das erzeugt werden soll, wenn zwischen ihnen eine Spannung (elektrische Potentialdifferenz) aufgebaut wird, z. B. wenn die verschiedenen Platten an einem Batterie.

Diese Anordnung wird bei der Herstellung von. angenähertKondensatoren, die elektrische Ladung in Stromkreisen speichern. Die elektrischen Feldlinien stehen senkrecht zu den Platten und zeigen zur negativen Platte. Aber wie bauen sich die Ladungen auf den Oberflächen dieser Einheiten auf?

Elektrische Nettofelder können innerhalb von Leitern nicht existieren. Dies liegt daran, dass Elektronen, wenn sie sich frei bewegen können, dies tun werden, bis sie im Gleichgewicht sind, wo die Summe aller Kräfte und Drehmomente Null ist und da F = qE,Emuss null sein. Mit anderen Worten, die Bewegung freier Elektronen in einem Leiter löscht jedes vorhandene elektrische Feld aus, indem es über eine Verschiebung der Elektronen "ausgeglichen" wird.

Ganz anders sieht es bei Isolatoren aus. Alle Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern, der von einer Elektronenwolke umgeben ist. Bei Vorhandensein eines externen elektrischen Feldes (vielleicht verursacht durch das Vorhandensein eines geladenen Objekts) können sich die Elektronenwolken verschieben, was zu aDipolmomentund eine elektrische Nettokraft.

Obwohl in einem Isolator keine Nettoladung vorhanden ist, kann das Vorhandensein von Dipolmomenten führt zur Akkumulation einer positiven Nettoladung auf einer Seite der Probe und einer negativen Nettoladung auf der anderen Seite. Aber aufgrund der begrenzten Elektronenbewegung in diesen Materialien sammeln sich keine Ladungen auf der Oberfläche an, wie es bei Leitern der Fall ist.

Polarisation tritt auf, wenn die Elektronen in einem neutral geladenen Objekt ihre durchschnittliche Position relativ zum Protonen, was zu zwei "Clustern" von Elektronen (Bereichen mit lokalisierter erhöhter Elektronendichte) pro Molekül und einem Dipol führt Moment. Die beiden Gebühren sindqgleich groß und im Vorzeichen entgegengesetzt. Bei einem molekularen Dipol wird das Ausmaß der Polarisation durch die elektrische Suszeptibilität des Materials bestimmt.p= qd= das Dipolmoment von aSingleDipol in einem dielektrischen Material.

Um ein Gefühl für die Wirkung des elektrischen Feldes zu bekommenEBetrachten Sie im Inneren des Isolators als Ganzes ein Material mit einer Dipol-Volumendichte vonNeinLadungsdipole pro Volumeneinheit. Sie betrachten jetzt eine große Anzahl benachbarter Dipole mit einer leichten positiven Ladung an einem Ende jedes Dipols und einer leichten negativen Ladung am anderen Ende. (Das führt zuDipol-DipolAnziehungen zwischen + und – Ladungen in End-to-End-Dipolen.)

Die dielektrische PolarisationsdichtePcharakterisiert die Konzentration von Dipolen im Material aufgrund des Einflusses des elektrischen Feldes darin:P= Np= Nqd.​

​Pist wie zu erwarten proportional zur Stärke des elektrischen Feldes. Diese Beziehung ist gegeben durchP​ = ε₀χ₀​E, wo ε₀ ist die elektrische Konstante und χ₀ ist die elektrische Anfälligkeit.

Einige Moleküle sind bereits von Natur aus polarisiert. Diese werden als polare Moleküle bezeichnet. Ein Beispiel für ein polares Molekül ist Wasser, das aus zwei Wasserstoffatomen besteht, die an ein einziges Sauerstoffatom gebunden sind. Das H₂Das O-Molekül selbst ist insofern symmetrisch, als es durch eine Ebene zwischen ihnen in der richtigen Ausrichtung in gleiche Hälften geteilt werden kann.

Die Bindungen zwischen Wasserstoffatomen und Sauerstoffatomen innerhalb desselben Moleküls sind kovalente Bindungen, aber diesezwischen diesen Atomen in verschiedenen Wassermolekülenwerden genanntWasserstoffbrücken. Die Elektronen, die in kovalenten Bindungen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff geteilt werden, liegen viel näher am Sauerstoffatom, wodurch das Sauerstoffatom in H₂O elektronegativ und die Wasserstoffatome elektropositiv. Die resultierende Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten Molekülen ist somit eine Folge der Polarität der Moleküle, die sich durch die gesamte Wasserprobe ausbreitet.

Wenn Sie einen aufgeladenen Gegenstand in die Nähe eines dünnen Wasserstrahls aus einem Wasserhahn halten (der nur aufgrund des Anwesenheit von Ionen und anderen Verunreinigungen), können Sie sehen, wie sich der Wasserstrahl aufgrund von dieser Effekt. Denn die Moleküle orientieren sich so, dass das entgegengesetzt geladene Ende des Moleküls zum geladenen Objekt zeigt.

Das Phänomen der Ladungstrennung geschieht bei Leitern etwas anders als bei Dielektrika. Anstatt dass Moleküle zu Dipolen werden, werden freie Elektronen dazu gebracht, sich auf eine Seite des Materials zu bewegen.

Ein Glasstab, der ein Isolator ist, kann freie Elektronen sammeln und aufgeladen werden, wenn er über eine Oberfläche wie Wolle gezogen wird. (Dies ist ein Beispiel für die andere Art der Ladungsübertragung,conduktion oder direkter Kontakt.) Wenn ein negativ geladener Stab in die Nähe der Kugel einesElektroskopOhne sie zu berühren, werden Elektronen "weggedrückt" und bewegen sich frei entlang der leitenden Oberflächen der Kugel zu den darin hängenden Aluminiumblättern. Sie werden sehen, dass sich die Blätter gegenseitig abstoßen.

Beachten Sie, dass das Elektroskop insgesamt noch elektrisch neutral ist, die Ladung jedoch anders verteilt ist. Die "Flucht" der Elektronen zu den Blättern im Inneren wird durch das Absetzen positiver Ladungen dort ausgeglichen, wo sich der Stab in der Nähe der Kugel befindet.

Wenn du es tatsächlich tun würdestberührenvom geladenen Stab auf die Kugel, Elektronen werden aufgrund der positiven Ladungen in der Nähe vom Stab übertragen. Wenn Sie den Stab wegziehen, bleibt das Elektroskop geladen, aber die negativen Ladungen verteilen sich gleichmäßig über die Kugel.

Jetzt sind Sie in der Lage, all dies zusammenzufassen und zu beobachten, was passiert, wenn Sie einen geladenen Stab in die Nähe eines Leiters bringen, der möglicherweiseebenfallsmit etwas anderem verbunden sein. (Einen geladenen Stab in die Nähe einer leitenden Kugel zu bringen und ihn wegzuziehen, um die eigenen Elektronen der Kugel als Reaktion darauf "tanzen" zu lassen, kann nach einiger Zeit langweilig werden.)

Angenommen, Sie haben einen geladenen Isolierstab und bringen ihn in die Nähe einer festen, leitenden Kugel, die durch einen Isolierpfosten mit der Erde verbunden ist. Obwohl in den vorherigen Abschnitten Dipole als einzelne Moleküle in Dielektrika beschrieben wurden, wird das gleiche Phänomen in einem Leiter durch Induktion "en masse" induziert. Wenn der Leiter eine Kugel (Kugel) ist, fließen die Elektronen des Leiters zur Oberfläche der Halbkugel gegenüber der Stabspitze.

Stellen Sie sich vor, was passiert, wenn Sie, während ein Freund die Stange von oben festhält, eine zweite, ebenfalls neutral leitende Kugel gegen die erste schieben, direkt gegenüber der Stangenplatzierung. Die dort gesammelten Elektronen werden die Gelegenheit ergreifen, sich noch weiter vom Stab und seinen abstoßenden Elektronen zu entfernen und sich auf die andere Seite von. zu bewegendieseKugel.

Jetzt können Sie kreativ werden. Wenn Sie möchten, dass die zweite Kugel geladen bleibt, ziehen Sie einfach die beiden Kugeln auseinandersolange die Stange noch sitzt(und damit positive Ladungen "ablenken"). Die Elektronen werden schließlich vom Stab auf die zweite Kugel übertragen, wo sie sich gleichmäßig über deren Oberfläche verteilen. Die erste Kugel kehrt in ihren ursprünglichen neutralen und einheitlichen Zustand zurück.

• Unsymmetrische Objekte spielen nach den gleichen physikalischen Regeln, aber das "exakte" Verhalten von Elektronen ist nicht so einfach herauszufinden wie bei Kugeln.

Hast du jemals darüber nachgedacht, was?Erdungskabeltun, oder wie sie funktionieren? Die Erde gilt als elektrisch neutral, aber sie ist groß genug, um lokale Störungen ohne Folgen zu absorbieren. Aus diesem Grund kann die Erde als riesiges Reservoir oder Ladungspuffer fungieren und bei Bedarf Elektronen über Erdungskabel an neutralisieren Sie positiv geladene Objekte oder nehmen Sie sie von negativ geladenen Objekten durch den Draht in das Gegenteil auf Richtung.

Um ungewollte Spannungen durch die beträchtliche Ansammlung von Nettoladungen auf großen leitenden Objekten zu verhindern, bieten Erdungskabel in einer hochelektrischen modernen Welt ein Sicherheitsmerkmal.