Πόλωση και ηλεκτρική επαγωγή: Τι είναι και πώς λειτουργεί; (w / Παραδείγματα)

Ακόμα κι αν είστε νέοι στην επιστήμη της φυσικής επιστήμης που είναι γνωστός ως ηλεκτρομαγνητισμός, πιθανότατα γνωρίζετε ότι όπως τα φορτία απωθούν και τα αντίθετα φορτία προσελκύουν Δηλαδή, μια θετική χρέωση θα προσελκύεται σε μια αρνητική χρέωση αλλά θα τείνει να απωθεί μια άλλη θετική χρέωση, με τον ίδιο απλό κανόνα να ισχύει αντίστροφα. (Αυτή είναι η βάση της καθημερινής λέξης «τα αντίθετα προσελκύουν». αν αυτό ισχύει στο ρομαντισμό είναι ίσως μια ανοιχτή ερώτηση, αλλά σίγουρα συμβαίνει όταν πρόκειται για ηλεκτρικά φορτία σε άτομα και μόρια.)

Ωστόσο, ενδέχεται να μην γνωρίζετε ότι είναι πιθανό ένα φορτισμένο αντικείμενο να προσελκύεται σε ένα ουδέτερο αντικείμενο - δηλαδή, ένα αντικείμενο χωρίς καθαρό φορτίο. Αυτό είναι δυνατό μέσω του φαινομένου τουφόρτιση πόλωσης, το οποίο εξηγεί το γεγονός ότι μόρια που είναι ηλεκτρικά ουδέτερα συνολικά μπορούν να έχουν ασύμμετρη κατανομή φορτίου μέσα τους. Αναλογικά, μια πόλη μπορεί να έχει ίσο αριθμό κατοίκων κάτω των 40 και άνω των 40, αλλά η κατανομή τους εντός των συνόρων της πόλης είναι σχεδόν σίγουρα ασύμμετρη.

• ​Μόριαείναι συλλογές δύο ή περισσότερων ατόμων που αντιπροσωπεύουν τη μικρότερη χημική μονάδα μιας συγκεκριμένης ένωσης · Αυτά τα άτομα μπορούν να αντιπροσωπεύουν το ίδιο στοιχείο, όπως το αέριο οξυγόνο (Ο₂ή περιλαμβάνουν πολλά στοιχεία, όπως με το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂).

Η μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου απόεπαγωγή- που σημαίνει χωρίς άμεσο άγγιγμα των αντικειμένων που ανταλλάσσουν φορτία με τη μορφή ελεύθερων ηλεκτρονίων - περιστρέφεται γύρω από το στρατηγικό τοποθέτηση αγωγών, που είναι υλικά μέσω των οποίων ρέει εύκολα το ρεύμα, και μονωτές, τα οποία είναι υλικά μέσω των οποίων το ρεύμα δεν μπορεί ροή. Αλλά περισσότερο από αυτό, βασίζεται στην πόλωση ολόκληρων αντικειμένων που απορρέουν από την πόλωση των συστατικών μορίων τους, τα οποία μπορούν να διαμορφωθούν με τη χρήση ηλεκτρικού πεδίου.

Παρόμοια με τον τρόπο που οι γραμμικές και περιστροφικές εξισώσεις κίνησης είναι ανάλογες μεταξύ τους, τα μαθηματικά στα οποία βασίζονται τα αποτελέσματα ενόςηλεκτρικό πεδίο​ ​μιΤο να ενεργεί σε σημεία φορτίου μοιάζει πολύ με αυτό που περιγράφει τις επιδράσεις ενός βαρυτικού πεδίου που ενεργεί σε μάζες σημείου. Η δύναμη ενός ηλεκτρικού πεδίου δίνεται από

• Το διάνυσμα ηλεκτρικού πεδίου δείχνει προς την ίδια κατεύθυνση με το διάνυσμα ηλεκτρικής δύναμης ότανεείναι θετικό. Οι μονάδες τουμιείναι Newton ανά coulomb (N / C).

Οι σημειακές χρεώσεις δημιουργούν τα δικά τους ηλεκτρικά πεδία (Να θυμάστε ότι οι χρεώσεις "σημείου" μπορούν να έχουν οποιοδήποτε μέγεθος και να μην θεωρηθούν ότι λαμβάνουν όγκο.) Η έκφραση για αυτό είναι:

όπουκείναι η σταθερά 9 × 10⁹ Νμ²/ΝΤΟ² καιρείναι η μετατόπιση (απόσταση και κατεύθυνση) μεταξύ του φορτίου και οποιουδήποτε σημείου στο οποίο αξιολογείται το πεδίο. Ο συνδυασμός των δύο βασικών εξισώσεων δίνει:

Αυτή η σχέση είναι γνωστή ωςΟ νόμος του Κουλούμπ​.

Εάν κάθε φορτίο σημείου δημιουργήσει το δικό του ηλεκτρικό πεδίο, είναι δυνατόν να υπάρχει ένα ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο - δηλαδή, ένα στο οποίο το μέγεθος και η κατεύθυνση τουμιείναι το ίδιο? Για λόγους που θα δείτε, απαιτείται ένα ομοιόμορφο πεδίο για την καθαρή δύναμη σε ένα δίπολο να είναι μηδέν.

Η τοποθέτηση δύο απείρως μεγάλων αγώγιμων πλακών παράλληλα μεταξύ τους και η τοποθέτηση μονωτικού υλικού ή διηλεκτρικού υλικού μεταξύ τους επιτρέπει ηλεκτρικό πεδίο που θα δημιουργηθεί εάν υπάρχει τάση (διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού) μεταξύ τους, όπως όταν οι διαφορετικές πλάκες συνδέονται με ένα μπαταρία.

Αυτή η διάταξη προσεγγίζεται κατά την κατασκευή τουπυκνωτές, τα οποία αποθηκεύουν ηλεκτρικό φορτίο σε κυκλώματα. Οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου είναι κάθετες στις πλάκες και δείχνουν προς την αρνητική πλάκα. Αλλά πώς αρχίζουν να δημιουργούνται χρεώσεις στις επιφάνειες αυτών των μονάδων;

Τα καθαρά ηλεκτρικά πεδία δεν μπορούν να υπάρχουν μέσα στους αγωγούς. Αυτό συμβαίνει επειδή, εάν τα ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα να κινούνται, θα το κάνουν μέχρι να βρεθούν σε ισορροπία, όπου το άθροισμα όλων των δυνάμεων και των ροπών είναι μηδέν και αφού F = qE,μιπρέπει να είναι μηδέν. Με άλλα λόγια, η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε έναν αγωγό εξαλείφει οποιοδήποτε ηλεκτρικό πεδίο που θα υπήρχε «ισοπεδώνοντας» μέσω μιας μετατόπισης στα ηλεκτρόνια.

Η κατάσταση στους μονωτές είναι πολύ διαφορετική. Όλα τα άτομα αποτελούνται από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα που περιβάλλεται από ένα νέφος ηλεκτρονίων. Παρουσία εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου (ίσως προκαλείται από την παρουσία φορτισμένου αντικειμένου), τα σύννεφα ηλεκτρονίων μπορούν να μετατοπιστούν, με αποτέλεσμαδιπολη ΣΤΙΓΜΗκαι μια καθαρή ηλεκτρική δύναμη.

Αν και δεν υπάρχει καθαρό φορτίο σε έναν μονωτή, εάν δειγματοληπτεί οποιοδήποτε τμήμα του, η παρουσία διπολικών ροπών οδηγεί στη συσσώρευση καθαρού θετικού φορτίου από τη μία πλευρά του δείγματος και καθαρού αρνητικού φορτίου από την άλλη πλευρά. Όμως τα φορτία δεν συσσωρεύονται στην επιφάνεια, όπως και στους αγωγούς, λόγω της περιορισμένης κίνησης ηλεκτρονίων σε αυτά τα υλικά.

Η πόλωση συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα ουδέτερα φορτισμένο αντικείμενο μετατοπίζουν τη μέση θέση τους σε σχέση με το πρωτόνια, με αποτέλεσμα δύο "συστάδες" ηλεκτρονίων (περιοχές εντοπισμένης αυξημένης πυκνότητας ηλεκτρονίων) ανά μόριο και ένα δίπολο στιγμή. Οι δύο χρεώσεις είναιείσο σε μέγεθος και αντίθετο σε σημείο. Σε ένα μοριακό δίπολο, η έκταση της πόλωσης καθορίζεται από την ηλεκτρική ευαισθησία του υλικού.Π= qρε= η διπολική ροπή του αμονόκλινοδίπολο σε διηλεκτρικό υλικό.

Για να αποκτήσετε μια αίσθηση της επίδρασης του ηλεκτρικού πεδίουμιστο εσωτερικό του μονωτή ως σύνολο, θεωρήστε ένα υλικό με πυκνότητα όγκου διπόλουΝφόρτιση διπόλων ανά μονάδα όγκου. Σκέφτεστε τώρα έναν μεγάλο αριθμό γειτονικών διπόλων, με ελαφρώς θετικό φορτίο στο ένα άκρο κάθε διπόλου και ελαφρώς αρνητικό φορτίο στο άλλο άκρο. (Αυτο εχει ως αποτελεσμαδίπολο-δίπολοαξιοθέατα μεταξύ + και - χρεώσεις σε δίπολα από άκρο σε άκρο.)

Η πυκνότητα διηλεκτρικής πόλωσηςΠχαρακτηρίζει τη συγκέντρωση των διπόλων στο υλικό ως αποτέλεσμα της επίδρασης του ηλεκτρικού πεδίου εντός αυτού:Π= ΝΠ= Nqρε.​

​Πείναι ανάλογη με την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου, όπως θα περίμενε κανείς. Αυτή η σχέση δίνεται απόΠ​ = ε₀χ₀​μι, όπου ε₀ είναι η ηλεκτρική σταθερά και χ₀ είναι η ηλεκτρική ευαισθησία.

Μερικά μόρια είναι φυσικά πολωμένα ήδη. Αυτά ονομάζονται πολικά μόρια. Ένα παράδειγμα πολικού μορίου είναι το νερό, το οποίο αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα με ένα μόνο άτομο οξυγόνου. Το Η₂Το ίδιο το μόριο είναι συμμετρικό στο ότι μπορεί να χωριστεί σε ίσα μισά από ένα επίπεδο τοποθετημένο μεταξύ τους στον σωστό προσανατολισμό.

Οι δεσμοί μεταξύ ατόμων υδρογόνου και ατόμων οξυγόνου εντός του ίδιου μορίου είναι ομοιοπολικοί δεσμοί, αλλά αυτοίμεταξύ αυτών των ατόμων σε διαφορετικά μόρια νερούλέγονταιδεσμοί υδρογόνου. Τα ηλεκτρόνια που μοιράζονται σε ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου βρίσκονται πολύ πιο κοντά στο άτομο οξυγόνου, κάνοντας το άτομο οξυγόνου σε Η₂Ο ηλεκτροαρνητικός και τα άτομα υδρογόνου ηλεκτροθετικά. Ο προκύπτων σχηματισμός δεσμών υδρογόνου μεταξύ γειτονικών μορίων είναι συνεπώς συνέπεια της πολικότητας των μορίων, η οποία διαδίδεται σε ολόκληρο το δείγμα νερού.

Εάν κρατάτε ένα φορτισμένο αντικείμενο κοντά σε μια λεπτή ροή νερού από μια βρύση (η οποία είναι ένας αγωγός που οφείλεται μόνο στο παρουσία ιόντων και άλλων ακαθαρσιών), μπορείτε να δείτε τη ροή του νερού να κινείται τόσο ελαφρά προς το αντικείμενο λόγω αυτό το αποτέλεσμα. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μόρια προσανατολίζονται έτσι ώστε το άκρο του μορίου με το αντίθετο φορτίο να δείχνει προς το φορτισμένο αντικείμενο.

Το φαινόμενο του διαχωρισμού φορτίου συμβαίνει λίγο διαφορετικά στους αγωγούς από ό, τι στα διηλεκτρικά. Αντί των μορίων να γίνονται διπόλια, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια προκαλούνται να κινούνται στη μία πλευρά του υλικού.

Μια γυάλινη ράβδος, η οποία είναι μονωτής, μπορεί να συλλέξει ελεύθερα ηλεκτρόνια και να φορτιστεί εάν μετακινηθεί σε μια επιφάνεια όπως το μαλλί. (Αυτό είναι ένα παράδειγμα του άλλου είδους μεταφοράς χρέωσης,ενάντιοςαναρρόφηση, ή άμεση επαφή.) Εάν μια αρνητικά φορτισμένη ράβδος φέρεται κοντά στη σφαίρα ενόςηλεκτροσκόπιοΧωρίς να το αγγίξετε, τα ηλεκτρόνια θα «σπρώχνονται» και θα κινούνται ελεύθερα κατά μήκος των αγώγιμων επιφανειών της σφαίρας προς το ζεύγος φύλλων αλουμινίου που κρέμονται μέσα. Θα δείτε τα φύλλα να απωθούν το ένα το άλλο.

Σημειώστε ότι το ηλεκτροσκόπιο εξακολουθεί να είναι ηλεκτρικά ουδέτερο συνολικά, αλλά η φόρτιση κατανέμεται διαφορετικά. Η "διαφυγή" των ηλεκτρονίων προς τα φύλλα μέσα εξισορροπείται από την καθιέρωση θετικών φορτίων όπου η ράβδος είναι κοντά στη σφαίρα.

Αν επρόκειτο πραγματικάαφήη φορτισμένη ράβδος στη σφαίρα, τα ηλεκτρόνια θα μεταφερθούν από τη ράβδο λόγω των θετικών φορτίων που βρίσκονται κοντά. Όταν τραβάτε τη ράβδο μακριά, το ηλεκτροσκόπιο θα παραμείνει φορτισμένο, αλλά τα αρνητικά φορτία θα κατανέμονται ομοιόμορφα σε όλη τη μπάλα.

Τώρα, είστε σε θέση να τα συνδυάσετε όλα αυτά και να παρατηρήσετε τι συμβαίνει όταν τοποθετείτε μια φορτισμένη ράβδο κοντά σε έναν αγωγό που μπορεί ναεπίσηςνα συνδεθείτε με κάτι άλλο. (Φέρνοντας μια φορτισμένη ράβδο κοντά σε μια αγώγιμη σφαίρα και τραβώντας την για να κάνει τα ηλεκτρόνια της σφαίρας να "χορέψουν" σε απόκριση μπορεί να βαρεθούν μετά από λίγο καιρό.)

Ας υποθέσουμε ότι έχετε μια φορτισμένη μονωτική ράβδο και την φέρνετε κοντά σε μια συμπαγή αγώγιμη σφαίρα συνδεδεμένη στο έδαφος μέσω μόνωσης. Αν και οι προηγούμενες ενότητες έχουν περιγράψει διπόλια ως προς τα μεμονωμένα μόρια στα διηλεκτρικά, το ίδιο φαινόμενο προκαλείται «μαζικά» σε έναν αγωγό μέσω επαγωγής. Εάν ο αγωγός είναι μια σφαίρα (σφαίρα), τα ηλεκτρόνια του αγωγού θα ρέουν στην επιφάνεια του ημισφαιρίου απέναντι από την άκρη της ράβδου.

Φανταστείτε τι θα συμβεί αν, ενώ ένας φίλος κρατά τη ράβδο από ψηλά στη θέση της, σύρετε μια δεύτερη, επίσης ουδέτερη αγώγιμη μπάλα πάνω από την πρώτη, ακριβώς απέναντι από τη θέση της ράβδου. Τα ηλεκτρόνια που συγκεντρώνονται εκεί θα εκμεταλλευτούν την ευκαιρία να απομακρυνθούν ακόμη περισσότερο από τη ράβδο και τα απωθητικά ηλεκτρόνια της και θα κινηθούν προς την άκρη τουΑυτόσφαίρα.

Τώρα μπορείτε να γίνετε δημιουργικοί. Εάν θέλετε η δεύτερη μπάλα να παραμείνει φορτισμένη, απλώς τραβήξτε τις δύο μπάλες μεταξύ τουςενώ η ράβδος είναι ακόμα στη θέση της(και έτσι "αποσπά την προσοχή" θετικές χρεώσεις). Τα ηλεκτρόνια θα έχουν μεταφερθεί τελικά από τη ράβδο στη δεύτερη σφαίρα, όπου κατανέμονται ομοιόμορφα στην επιφάνεια του. Η πρώτη μπάλα επιστρέφει στην αρχική της ουδέτερη και ομοιόμορφη κατάσταση.

• Τα μη συμμετρικά αντικείμενα παίζουν με τους ίδιους φυσικούς κανόνες, αλλά δεν είναι τόσο εύκολο να καταλάβουμε την «ακριβή» συμπεριφορά των ηλεκτρονίων όπως στην περίπτωση των σφαιρών.

Έχετε σκεφτεί ποτέ τικαλώδια γείωσηςή πώς λειτουργούν; Η Γη θεωρείται ηλεκτρικά ουδέτερη, αλλά είναι αρκετά μεγάλη ώστε να απορροφά τις τοπικές διαταραχές που είναι υπεύθυνες χωρίς συνέπεια. Εξαιτίας αυτού, η Γη μπορεί να λειτουργήσει ως τεράστια δεξαμενή ή ρυθμιστικό φόρτισης, τροφοδοτώντας ηλεκτρόνια όπως απαιτείται μέσω καλωδίων γείωσης Εξουδετερώστε θετικά φορτισμένα αντικείμενα ή αποδεχτείτε τα από αρνητικά φορτισμένα αντικείμενα μέσω του καλωδίου στο αντίθετο κατεύθυνση.

Έτσι, για να αποφευχθεί η ανεπιθύμητη τάση χάρη στην αρκετά μεγάλη συσσώρευση καθαρών φορτίων σε μεγάλα αγώγιμα αντικείμενα, τα καλώδια γείωσης προσφέρουν ένα χαρακτηριστικό ασφαλείας σε έναν πολύ ηλεκτρικό σύγχρονο κόσμο.