Polarisaatio ja sähköinduktio: mikä se on ja miten se toimii? (esimerkkeineen)

Vaikka olisit uusi fysiikan tieteenalalla, joka tunnetaan nimellä sähkömagnetismi, tiedät todennäköisesti, että kuten varaukset hylkäävät ja vastakkaiset varaukset houkuttelevat; toisin sanoen positiivinen varaus houkuttelee negatiivisen varauksen, mutta pyrkii torjumaan toisen positiivisen varauksen samalla yksinkertaisella säännöllä päinvastoin. (Tämän perusteella jokapäiväinen sanonta "vastakohdat houkuttelevat"; onko tämä totta romanssissa, on ehkä avoin kysymys, mutta se on varmasti tapaus atomien ja molekyylien sähkövarauksista.)

Et kuitenkaan välttämättä tiedä, että ladattu esine voidaan houkutella neutraaliin esineeseen - eli objektiin, jolla ei ole verkkovarausta. Tämä on mahdollistavarauksen polarisaatio, joka selittää sen tosiasian, että molekyylit, jotka ovat sähköisesti neutraaleja, voivat olla epäsymmetrisiä varauksen jakautumista niiden sisällä. Vastaavasti kaupungissa voi olla yhtä suuri määrä alle 40-vuotiaita ja yli 40-vuotiaita, mutta niiden jakautuminen kaupungin rajojen sisällä on melkein varmasti epäsymmetristä.

• ​Molekyylitovat kahden tai useamman atomin kokoelmia, jotka edustavat tietyn yhdisteen pienintä kemiallista yksikköä; nämä atomit voivat edustaa samaa elementtiä, kuten happikaasua (O₂) tai sisältää useita alkuaineita, kuten hiilidioksidin (CO₂).

Sähkövarauksen siirtoinduktio- merkitys ilman esineiden suoraa kosketusta, jotka vaihtavat varauksia vapaiden elektronien muodossa - pyörii strategisen ympärillä johtimien sijoittaminen, jotka ovat materiaaleja, joiden läpi virta kulkee helposti, ja eristimet, jotka ovat materiaaleja, joiden läpi virta ei pääse virtaus. Mutta enemmän kuin se, se perustuu koko esineiden polarisaatioon, joka johtuu niiden muodostavien molekyylien polarisaatiosta, joka voidaan moduloida sähkökentän avulla.

Samoin kuin liikkeen lineaariset ja pyörivät yhtälöt ovat analogisia toistensa kanssa, matematiikka, joka on taustalla ansähkökenttä​ ​Epistemaksuihin vaikuttava muistuttaa voimakkaasti sitä, joka kuvaa pistemassoihin vaikuttavan gravitaatiokentän vaikutuksia. Sähkökentän voima saadaan

• Sähkökentän vektori osoittaa samaan suuntaan kuin sähkövoimavektori milloinqon positiivinen. YksikötEovat newtoneja per coulomb (N / C).

Pistevaraukset muodostavat oman sähkökentän. (Muista, että "pistepanokset" voivat olla minkä tahansa suuruisia, eikä niitä voida silti ajatella vievän mitään määrää.) Tämän ilmaisu on:

missäkon vakio 9 × 10⁹ Nm²/ C² jaron siirtymä (etäisyys ja suunta) varauksen ja minkä tahansa kentän välillä, jossa kenttä arvioidaan. Yhdistämällä kaksi yllä olevaa yhtälöä saadaan:

Tämä suhde tunnetaan nimelläCoulombin laki​.

Jos kukin pistelataus muodostaa oman sähkökentänsä, onko mahdollista saada tasainen sähkökenttä eli sellainen, jossa suuruus ja suuntaEon sama? Näistä syistä tarvitaan yhtenäinen kenttä, jotta dipolin nettovoima olisi nolla.

Kahden äärettömän suuren johtavan levyn sijoittaminen rinnakkain ja eristemateriaalin tai dielektrisen materiaalin sijoittaminen niiden väliin mahdollistaa syntyvä sähkökenttä, jos niiden välille muodostuu jännite (sähköpotentiaaliero), esimerkiksi kun eri levyt on kiinnitetty a: hon akku.

Tämä järjestely on arvioitu valmistettaessakondensaattorit, jotka varastoivat sähkövaraa piireihin. Sähkökentän linjat ovat kohtisuorassa levyihin nähden ja osoittavat kohti negatiivista levyä. Mutta miten varaukset kertyvät näiden yksiköiden pinnoille aluksi?

Johtimien sisällä ei voi olla nettosähkökenttiä. Tämä johtuu siitä, että jos elektronit voivat liikkua vapaasti, he tekevät niin, kunnes ne ovat tasapainossa, jossa kaikkien voimien ja vääntömomenttien summa on nolla, ja koska F = qE,Eon oltava nolla. Toisin sanoen vapaiden elektronien liike johtimessa tuhoaa kaikki sähkökentät, joita olisi olemassa "tasoittamalla se" elektronisiirron kautta.

Eristimien tilanne on melko erilainen. Kaikki atomit koostuvat positiivisesti varautuneesta ytimestä, jota ympäröi elektronipilvi. Ulkoisen sähkökentän läsnä ollessa (ehkä johtuen ladatun kohteen läsnäolosta) elektronipilvet voivat siirtyä, mikä johtaadipolihetkija nettosähkövoima.

Vaikka eristimessä ei ole nettovarausta, jos siitä otetaan jokin osa, dipolimomenttien esiintyminen johtaa positiivisen nettovarauksen kertymiseen näytteen toiselle puolelle ja negatiivisen negatiivisen varauksen toiselle puolelle puolella. Mutta varaukset eivät tosiasiassa kerry pinnalle, kuten johtimien tapaan, johtuen elektronien rajoitetusta liikkumisesta näissä materiaaleissa.

Polarisaatio tapahtuu, kun elektronit neutraalisti varatun kohteen sisällä siirtävät keskimääräistä asemaansa suhteessa protoneja, jolloin tuloksena on kaksi elektroniryhmää (paikallisesti lisääntyneen elektronitiheyden alueet) molekyyliä ja dipolia kohti hetki. Kaksi maksua ovatqyhtä suuret ja vastakkaiset. Molekyylidipolissa polarisaation laajuus määräytyy materiaalin sähköisen herkkyyden perusteella.s= qd= a: n dipolimomenttiyksittäinendipoli dielektrisessä materiaalissa.

Saada käsitys sähkökentän vaikutuksestaETarkasta eristimen sisällä koko materiaali, jonka dipolitilavuuden tiheys onNlatausdipoleja tilavuusyksikköä kohti. Harkitset nyt suurta määrää vierekkäisiä dipoleja, joiden jokaisen dipolin toisessa päässä on pieni positiivinen varaus ja toisessa päässä pieni negatiivinen varaus. (Tämä johtaadipoli-dipolivetovoimat + ja - latausten välillä päästä päähän dipoleissa.)

Dielektrisen polarisaation tiheysPkuvaa dipolien pitoisuutta materiaalissa sen sisällä olevan sähkökentän vaikutuksen seurauksena:P= Ns= Nqd.​

​Pon verrannollinen sähkökentän voimakkuuteen, kuten voit odottaa. Tämän suhteen antaaP​ = ε₀χ₀​E, jossa ε₀ on sähkövakio ja χ₀ on sähköinen herkkyys.

Jotkut molekyylit ovat jo luonnollisesti polarisoituneet. Näitä kutsutaan polaarisiksi molekyyleiksi. Esimerkki napamolekyylistä on vesi, joka koostuu kahdesta vetyatomista, jotka ovat sitoutuneet yhteen happiatomiin. H₂O-molekyyli itsessään on symmetrinen siinä mielessä, että se voidaan jakaa yhtä suuriksi puolikkaiksi tasolle, joka on asetettu niiden väliin oikeaan suuntaan.

Saman molekyylin vetyatomien ja happiatomien väliset sidokset ovat kovalenttisia sidoksia, mutta nenäiden atomien välillä eri vesimolekyyleissäkutsutaanvetysidokset. Kovalenttisissa sidoksissa vetyä ja happea jakavat elektronit ovat paljon lähempänä happiatomia, mikä tekee happiatomista H: ssä₂O elektronegatiivista ja vetyatomia elektropositiivista. Tuloksena oleva vetysidosten muodostuminen vierekkäisten molekyylien välillä on siten seurausta molekyylien polaarisuudesta, joka leviää koko vesinäytteen läpi.

Jos pidät ladattua esinettä lähellä ohut vesivirta hanasta (joka on johtaja vain ionien ja muiden epäpuhtauksien läsnäolo), voit nähdä vesivirran liikkuvan aina niin vähän kohti kohdetta johtuen tämä vaikutus. Tämä johtuu siitä, että molekyylit suuntaavat itsensä niin, että molekyylin pää, jolla on vastakkainen varaus, osoittaa kohti varattua esinettä.

Varauserotuksen ilmiö tapahtuu hieman eri tavalla johtimissa kuin dielektrikoissa. Sen sijaan, että molekyyleistä tulisi dipoleja, vapaat elektronit indusoituvat liikkumaan materiaalin toiselle puolelle.

Lasitanko, joka on eriste, voi kerätä vapaita elektroneja ja latautua pyyhkäisemällä pinnan, kuten villan, yli. (Tämä on esimerkki muusta maksunsiirrosta,consuora kosketus.) Jos negatiivisesti varautunut sauva tuodaan lähelle palloaelektroskooppikoskematta siihen, elektronit "työnnetään pois" ja ne liikkuvat vapaasti pallon johtavia pintoja pitkin sisällä riippuvaa alumiinilehtiparia kohti. Näet lehdet karkottavan toisiaan.

Huomaa, että elektroskooppi on edelleen sähköisesti neutraali, mutta varaus jakautuu eri tavalla. Elektronien "pakenemista" kohti sisäpuolella olevia lehtiä tasapainotetaan positiivisten varausten laskeutumisella paikassa, jossa sauva on lähellä palloa.

Jos olisit todellakosketusvarautuneen tangon palloon, elektronit siirtyvät tangosta lähellä olevien positiivisten varausten takia. Kun vedät tankoa poispäin, elektroskooppi pysyy varautuneena, mutta negatiiviset varaukset jakautuvat tasaisesti palloon.

Nyt sinulla on mahdollisuus koota kaikki tämä yhteen ja tarkkailla mitä tapahtuu, kun asetat ladatun tangon lähelle johtinta, joka saattaamyösolla yhteydessä johonkin muuhun. (Latautuneen sauvan tuominen lähelle johtavaa palloa ja sen kiskominen pallon omien elektronien "tanssimiseksi" saattamiseksi saattaa tylsistyä jonkin ajan kuluttua.)

Oletetaan, että sinulla on varattu eristystanko ja viet sen lähelle kiinteää johtavaa palloa, joka on kytketty maahan eristävällä pylväällä. Vaikka edellisissä kohdissa on kuvattu dipoleja yksittäisten molekyylien suhteen dielektrikoissa, sama ilmiö indusoituu "joukkona" johtimessa induktiolla. Jos johdin on pallo (pallo), johtimen elektronit virtaavat tangon kärkeä vastapäätä olevan pallonpuoliskon pinnalle.

Kuvittele, mitä tapahtuu, jos samalla kun ystäväsi pitää sauvaa ylhäältä paikoillaan, liu'utat toisen, myös neutraalin johtavan pallon ensimmäistä vasten, suoraan vastapäätä tankoa. Siellä kootut elektronit tarttuvat tilaisuuteen päästä vielä kauemmas sauvasta ja sen hylkivistä elektroneista ja siirtyvätTämäpallo.

Nyt voit olla luova. Jos haluat toisen pallon pysyvän ladattuna, vedä molemmat pallot toisistaankun sauva on edelleen paikallaan(ja siten "häiritsevät" positiivisia varauksia). Elektronit on siirretty lopulta sauvasta toiseen palloon, jossa ne jakautuvat tasaisesti sen pinnan yli. Ensimmäinen pallo palaa alkuperäiseen neutraaliin ja tasaiseen tilaansa.

• Epäsymmetriset esineet pelaavat samojen fyysisten sääntöjen mukaan, mutta ei ole yhtä helppoa selvittää elektronien "tarkka" käyttäytyminen kuin pallojen tapauksessa.

Oletko koskaan miettinyt mitämaadoitusjohdottai miten ne toimivat? Maan katsotaan olevan sähköisesti neutraali, mutta se on riittävän suuri absorboimaan vastuussa olevat paikalliset häiriöt seurauksetta. Tämän vuoksi maa voi toimia suurena säiliönä tai latauspuskurina, joka toimittaa elektroneja tarvittaessa maadoitusjohtojen kautta neutraloi positiivisesti varautuneet esineet tai hyväksyvät ne negatiivisesti varautuneista esineistä langan kautta päinvastoin suunta.

Joten estääkseen ei-toivotut jännitteet suurten johtavien esineiden huomattavan nettomaksun kertymisen ansiosta, maadoitusjohdot tarjoavat turvaominaisuuden erittäin sähköisessä modernissa maailmassa.