Isegi kui olete füüsikateaduse valdkonnas tuntud kui elektromagnetism, olete tõenäoliselt teadlik, et sarnased laengud tõrjuvad ja vastupidised laengud tõmbavad ligi; see tähendab, et positiivne laeng meelitatakse negatiivse laengu poole, kuid see kipub tõrjuma teist positiivset laengut, sama lihtsa reegli abil tagurpidi. (See on igapäevase ütluse "vastandid meelitavad" alus; kas see on romantikas tõsi, on ehk lahtine küsimus, kuid kindlasti on see nii aatomite ja molekulide elektrilaengute puhul.)
Te ei pruugi siiski teada, et laetud objekti võib ligi tõmmata neutraalsele objektile - see tähendab objektile, millel pole netolaengut. See on võimalik nähtuse kaudulaengu polarisatsioon, mis võtab arvesse asjaolu, et elektriliselt neutraalsetes molekulides võib nende sees olla asümmeetriline laengujaotus. Analoogia mõttes võib linnas olla võrdne arv alla 40-aastaseid ja üle 40-aastaseid elanikke, kuid nende jaotus linna piires on peaaegu kindlasti asümmeetriline.
- Molekulidon kahe või enama aatomi kogumid, mis tähistavad konkreetse ühendi väikseimat keemilist üksust; need aatomid võivad tähistada sama elementi, näiteks gaasiline hapnik (O 2) või sisaldavad mitut elementi nagu süsinikdioksiid (CO2).
Elektrilaengu ülekandmineinduktsioon- tähendus ilma elektroni kujul laengut vahetavate objektide otsese puudutamiseta - keerleb strateegilise ümber juhtide paigutus, mis on materjalid, mille kaudu vool voolab kergesti, ja isolaatorid, mis on materjalid, mille kaudu vool ei saa läbi viia voolama. Kuid lisaks sellele tugineb see tervete objektide polarisatsioonile, mis tuleneb nende koostisosade molekulide polarisatsioonist, mida saab elektrivälja abil moduleerida.
Punktlaengud ja elektriväljad
Sarnaselt sellele, kuidas liikumise sirgjoonelised ja pöördvõrrandid on üksteisega analoogsed, on ka matemaatika, mis on liiki mõju alusekselektriväli Epunktlaengutele toimimine sarnaneb tugevalt punktmassidele mõjuva gravitatsioonivälja mõju kirjeldamisega. Elektrivälja jõu annab
F_E = qE
- Elektrivälja vektor osutab samas suunas, kui elektriline jõuvektor seda teebqon positiivne. ÜhikudEon njuutonid kulonbi kohta (N / C).
Punktlaengud loovad oma elektriväljad. (Pidage meeles, et "punktlaengud" võivad olla mis tahes suurusega ja neid ei saa sellegipoolest arvata, et need võtaksid mingit mahtu.) Selle väljend on:
E = \ frac {kq} {r ^ 2}
kuskon konstant 9 × 109 Nm2/ C2 jaron nihe (kaugus ja suund) laengu ja suvalise välja hindamise punkti vahel. Kahe ülaltoodud võrrandi ühendamine annab:
F_E = \ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}
Seda suhet tuntakse kuiCoulombi seadus.
Ühtlased elektriväljad ja polarisatsioon
Kui iga punktlaeng loob oma elektrivälja, kas on võimalik saada ühtlane elektriväli - see on selline, kusEon sama? Nägevatel põhjustel on dipooli kasuliku jõu nullväärtuseks ühtlane väli vajalik.
Kahe äärmiselt suure juhtplaadi asetamine üksteisega paralleelselt ja nende vahele isolatsioonimaterjali või dielektrilise materjali paigaldamine võimaldab tekitatav elektriväli, kui nende vahel tekib pinge (elektrilise potentsiaali erinevus), näiteks kui erinevad plaadid on kinnitatud a külge aku.
See lahendus on ligikaudne toote valmistamiselkondensaatorid, mis hoiavad elektrilaengut vooluahelates. Elektrivälja jooned on plaatidega risti ja osutavad negatiivse plaadi suunas. Kuid kuidas nende üksuste pindadele kõigepealt laengud kogunevad?
Isolaatori polarisatsioon
Juhtmete sees ei saa olla elektrivõrke. Seda seetõttu, et kui elektronid saavad vabalt liikuda, teevad nad seda seni, kuni nad on tasakaalus, kus kõigi jõudude ja pöördemomentide summa on null, ja kuna F = qE,Epeab olema null. Teisisõnu, vabade elektronide liikumine juhis hävitab igasuguse elektrivälja, mis oleks olemas, "tasandades selle" läbi elektronide nihke.
Isolaatorite sees on olukord üsna erinev. Kõik aatomid koosnevad positiivselt laetud tuumast, mida ümbritseb elektronpilv. Välise elektrivälja olemasolul (võib-olla põhjustatud laetud objekti olemasolust) võivad elektronpilved nihkuda, mille tulemuseks ondipoolmomentja elektriline netojõud.
Kuigi isolaatoris ei ole netolaengut, on dipoolmomentide olemasolu, kui proov võetakse selle mis tahes osast viib positiivse netolaengu kuhjumiseni valimi ühel küljel ja negatiivse netolaengu teisel küljel küljel. Kuid laengud ei kogune pinnale, nagu juhtide puhul, kuna elektronid on nendes materjalides piiratud.
Polarisatsiooni mõiste
Polarisatsioon toimub siis, kui neutraalselt laetud objekti elektronid nihutavad oma keskmist positsiooni prootonid, mille tulemuseks on kaks elektronide "klastrit" (lokaliseeritud suurenenud elektrontiheduse piirkonnad) molekuli ja dipooli kohta hetk. Kaks süüdistust onqsuuruselt võrdne ja vastupidine. Molekulaarses dipoolis määratakse polarisatsiooni ulatus materjali elektrilise vastuvõtlikkuse järgi.lk= qd= a dipoolmomentüksikdipool dielektrilises materjalis.
Et saada aimu elektrivälja mõjustEisolaatori sees tervikuna kaaluge materjali, mille dipoolmahu tihedus onNlaadimisdipoolid mahuühiku kohta. Kaalute nüüd suurt hulka kõrvuti asetsevaid dipoole, kusjuures iga dipooli ühes otsas on kerge positiivne laeng ja teises otsas kerge negatiivne laeng. (Selle tulemuseks ondipool-dipoolatraktsioonid + ja - tasude vahel otsast otsani dipoolides.)
Dielektrilise polarisatsiooni tihedusPiseloomustab dipoolide kontsentratsiooni materjalis elektrivälja mõju tõttu selles:P= Nlk= Nqd.
Pon proportsionaalne elektrivälja tugevusega, nagu võite arvata. Selle suhte annabP = ε0χ0E, kus ε0 on elektrikonstant ja χ0 on elektriline vastuvõtlikkus.
Polaarmolekulid
Mõned molekulid on juba looduslikult polariseerunud. Neid nimetatakse polaarmolekulideks. Polaarse molekuli näiteks on vesi, mis koosneb kahest vesinikuaatomist, mis on seotud ühe hapnikuaatomiga. H2O molekul ise on sümmeetriline selle poolest, et selle saab õigesse suunda paigutatud tasapinnaga jagada võrdseteks poolteks.
Sidemed vesinikuaatomite ja sama molekuli hapnikuaatomite vahel on kovalentsed sidemed, kuid neednende aatomite vahel erinevates veemolekulidesnimetataksevesiniksidemed. Kovalentsetes sidemetes vesiniku ja hapniku vahel jagatud elektronid asuvad hapniku aatomile palju lähemal, muutes hapniku aatomi H-s2O elektronegatiivne ja vesinikuaatomid elektropositiivsed. Saadud vesiniksidemete moodustumine külgnevate molekulide vahel on seega molekulide polaarsuse tagajärg, mis levib kogu veeproovi ulatuses.
Kui hoiate laetud eset kraanist õhukese veevoolu lähedal (mis on juht ainult tänu veekraanile) ioonide ja muude lisandite olemasolu), näete, et veevool liigub objekti tõttu nii kergelt objekti poole seda efekti. Seda seetõttu, et molekulid orienteeruvad nii, et vastupidise laenguga molekuli ots osutab laetud objekti poole.
Elektriline induktsioon
Laengute eraldamise nähtus juhtides juhtub veidi teisiti kui dielektrikutes. Selle asemel, et molekulid muutuksid dipoolideks, indutseeritakse vabad elektronid materjali ühele küljele liikuma.
Klaasvarda, mis on isolaator, võib koguda vabu elektrone ja laadida üle pinna, näiteks villa, pühkides. (See on näide teistmoodi tasude ülekandest,konotsene kontakt.) Kui negatiivse laenguga varras viiakse kuuli lähedaleelektroskoopseda puudutamata, elektronid "tõrjutakse" ja nad liiguvad vabalt mööda palli juhtivaid pindu sees rippuva alumiiniumlehe paari poole. Näete, kuidas lehed üksteist tõrjuvad.
Pange tähele, et elektroskoop on endiselt elektriliselt neutraalne, kuid laeng jaotub erinevalt. Elektronide "põgenemist" sees olevate lehtede suunas tasakaalustab positiivsete laengute settimine seal, kus varda on kera lähedal.
Kui te seda tegelikult teeksitepuudutadalaetud varda palli, kanduvad elektronid vardast läheduses asuvate positiivsete laengute tõttu. Varda eemale tõmbamisel jääb elektroskoop laenguks, kuid negatiivsed laengud jaotuvad kogu pallis ühtlaselt.
Induktsiooni näited
Nüüd on teil võimalus kõik see kokku panna ja jälgida, mis juhtub, kui asetate laetud varda dirigendi lähedale, mis võibkaolla seotud millegi muuga. (Laetud varda juhtiva sfääri lähedale toomine ja selle eemale tõmbamine, et sfääri enda elektronid vastusena "tantsiks" panna, võib mõne aja pärast igavaks muutuda.)
Oletame, et teil on laetud isoleerivars ja viite selle tahke juhtiva sfääri lähedale, mis on isoleeriva postiga maapinnaga ühendatud. Ehkki eelmistes jaotistes on dipoole kirjeldatud dielektrikutes üksikute molekulide osas, indutseeritakse sama nähtus induktsiooni kaudu juhis "massiliselt". Kui juht on kera (pall), voolavad juhi elektronid varda otsa vastas oleva poolkera pinnale.
Kaksikud kerad
Kujutage ette, mis juhtub, kui sõber hoiab varrast ülevalt paigal, kui libistate teise, samuti neutraalset juhtivat palli esimese vastu, otse varda asetuse vastas. Sinna kogunenud elektronid kasutavad võimalust saada vardast ja selle tõrjuvatest elektronidest veelgi kaugemale ning liiguvad kaugemalesedasfäär.
Nüüd saate olla loov. Kui soovite, et teine pall jääks laetud, tõmmake need kaks palli lihtsalt lahtiajal, kui varras on endiselt paigas(ja seega "häirivaid" positiivseid laenguid). Elektronid viiakse lõpuks vardast teise sfääri, kus nad jaotuvad kogu pinna ulatuses ühtlaselt. Esimene pall naaseb oma esialgsesse neutraalsesse ja ühtlasesse olekusse.
- Mittesümmeetrilised objektid mängivad samade füüsikaliste reeglite järgi, kuid elektronide "täpset" käitumist pole nii lihtne välja selgitada kui sfääride puhul.
Maandusjuhtmed
Kas olete kunagi mõelnud, midamaandusjuhtmedvõi kuidas nad töötavad? Maad peetakse elektriliselt neutraalseks, kuid see on piisavalt suur, et absorbeerida vastutavate kohalike häirete tagajärgi. Selle tõttu võib Maa toimida suure reservuaari või laadimispuhvrina, varustades elektrone vajaduse korral maandusjuhtmete kaudu neutraliseerivad positiivselt laetud objektid või võtavad need vastu negatiivselt laetud objekte läbi juhtme suund.
Niisiis, et vältida soovimatut pinget tänu võrgulaengute märkimisväärsele kogunemisele suurtele juhtivatele objektidele, pakuvad maandusjuhtmed ohutusfunktsiooni tänapäevases ülielektrilises maailmas.
