Polarisation et induction électrique: qu'est-ce que c'est et comment ça marche? (avec exemples)

Même si vous êtes nouveau dans la discipline des sciences physiques connue sous le nom d'électromagnétisme, vous savez probablement que les charges similaires se repoussent et que les charges opposées s'attirent; c'est-à-dire qu'une charge positive sera attirée par une charge négative mais aura tendance à repousser une autre charge positive, la même règle simple étant inversée. (C'est la base du dicton de tous les jours « les contraires s'attirent »; si cela est vrai dans la romance est peut-être une question ouverte, mais c'est certainement le cas quand il s'agit de charges électriques sur les atomes et les molécules.)

Cependant, vous ne savez peut-être pas qu'il est possible qu'un objet chargé soit attiré par un objet neutre, c'est-à-dire un objet sans charge nette. Ceci est possible grâce au phénomène depolarisation de charge, ce qui explique le fait que les molécules qui sont globalement neutres électriquement peuvent avoir une distribution de charge asymétrique en leur sein. Par analogie, une ville peut avoir un nombre égal d'habitants de moins de 40 ans et de plus de 40 ans, mais leur répartition à l'intérieur des frontières de la ville est presque certainement asymétrique.

• ​Moléculessont des ensembles de deux atomes ou plus représentant la plus petite unité chimique d'un composé particulier; ces atomes peuvent représenter le même élément, tel que l'oxygène gazeux (O₂), ou inclure plusieurs éléments, comme le dioxyde de carbone (CO₂).

Le transfert de charge électrique parinduction– c'est-à-dire sans toucher direct des objets qui échangent des charges sous forme d'électrons libres – tourne autour de la stratégie placement des conducteurs, qui sont des matériaux à travers lesquels le courant circule facilement, et des isolants, qui sont des matériaux à travers lesquels le courant ne peut pas couler. Mais plus que cela, elle repose sur la polarisation d'objets entiers issue de la polarisation de leurs molécules constitutives, qui peut être modulée à l'aide d'un champ électrique.

De la même manière que les équations linéaires et rotationnelles du mouvement sont analogues, les mathématiques sous-jacentes aux effets d'un mouvementchamp électrique​ ​Eagissant sur des charges ponctuelles ressemble fortement à celui décrivant les effets d'un champ gravitationnel agissant sur des masses ponctuelles. La force d'un champ électrique est donnée par

• Le vecteur champ électrique pointe dans la même direction que le vecteur force électrique lorsqueqest positif. Les unités deEsont des newtons par coulomb (N/C).

Les charges ponctuelles établissent leurs propres champs électriques. (Rappelez-vous que les charges « ponctuelles » peuvent avoir n'importe quelle amplitude et ne pas encore être conçues comme occupant un volume.) L'expression pour cela est :

oùkest la constante 9 × 10⁹ Nm²/C² etrest le déplacement (distance et direction) entre la charge et tout point auquel le champ est évalué. La combinaison des deux équations principales ci-dessus donne :

Cette relation est connue sous le nomLa loi de coulomb​.

Si chaque charge ponctuelle établit son propre champ électrique, est-il possible d'avoir un champ électrique uniforme, c'est-à-dire un champ dans lequel l'amplitude et la direction deEest le même? Pour des raisons que vous verrez, un champ uniforme est requis pour que la force nette sur un dipôle soit nulle.

Placer deux plaques conductrices infiniment grandes parallèles l'une à l'autre et placer un matériau isolant, ou un matériau diélectrique, entre elles permet une champ électrique à générer si une tension (différence de potentiel électrique) est établie entre eux, par exemple lorsque les différentes plaques sont fixées à un la batterie.

Cet arrangement est approximatif dans la fabrication decondensateurs, qui stockent la charge électrique dans des circuits. Les lignes de champ électrique sont perpendiculaires aux plaques et pointent vers la plaque négative. Mais comment les charges s'accumulent-elles sur les surfaces de ces unités pour commencer ?

Les champs électriques nets ne peuvent pas exister à l'intérieur des conducteurs. En effet, si les électrons sont libres de se déplacer, ils le feront jusqu'à ce qu'ils soient à l'équilibre, où la somme de toutes les forces et de tous les couples est nulle, et puisque F = qE,Edoit être nul. En d'autres termes, le mouvement des électrons libres dans un conducteur efface tout champ électrique qui existerait en le « nivelant » via un déplacement des électrons.

La situation à l'intérieur des isolateurs est assez différente. Tous les atomes sont constitués d'un noyau chargé positivement entouré d'un nuage d'électrons. En présence d'un champ électrique externe (peut-être causé par la présence d'un objet chargé), les nuages ​​d'électrons peuvent se déplacer, entraînant unmoment dipolaireet une force électrique nette.

Bien qu'il n'y ait pas de charge nette dans un isolant, si une partie de celui-ci est échantillonnée, la présence de moments dipolaires conduit à l'accumulation d'une charge positive nette d'un côté de l'échantillon et d'une charge négative nette de l'autre côté. Mais les charges ne s'accumulent pas réellement à la surface, comme pour les conducteurs, en raison du mouvement limité des électrons dans ces matériaux.

La polarisation se produit lorsque les électrons d'un objet chargé de manière neutre décalent leur position moyenne par rapport au protons, résultant en deux "amas" d'électrons (zones de densité électronique accrue localisée) par molécule et un dipôle moment. Les deux accusations sontqégales en grandeur et opposées en signe. Dans un dipôle moléculaire, l'étendue de la polarisation est déterminée par la susceptibilité électrique du matériau.p= qré= le moment dipolaire d'unCélibatairedipôle dans un matériau diélectrique.

Pour avoir une idée de l'effet du champ électriqueEà l'intérieur de l'isolant dans son ensemble, considérons un matériau avec une densité volumique dipolaire deNdipôles de charge par unité de volume. Vous envisagez maintenant un grand nombre de dipôles adjacents, avec une légère charge positive à une extrémité de chaque dipôle et une légère charge négative à l'autre extrémité. (Cela se traduit pardipôle-dipôleattractions entre + et – charges dans les dipôles de bout en bout.)

La densité de polarisation diélectriquePcaractérise la concentration de dipôles dans le matériau en raison de l'influence du champ électrique à l'intérieur de celui-ci :P= Np= Nqré.​

​Pest proportionnelle à la force du champ électrique, comme on peut s'y attendre. Cette relation est donnée parP​ = ε₀χ₀​E, où₀ est la constante électrique et₀ est la susceptibilité électrique.

Certaines molécules sont déjà naturellement polarisées. On les appelle molécules polaires. Un exemple de molécule polaire est l'eau, qui se compose de deux atomes d'hydrogène liés à un seul atome d'oxygène. Le H₂La molécule O elle-même est symétrique en ce qu'elle peut être divisée en moitiés égales par un plan placé entre elles dans la bonne orientation.

Les liaisons entre les atomes d'hydrogène et les atomes d'oxygène au sein d'une même molécule sont des liaisons covalentes, mais cellesentre ces atomes dans différentes molécules d'eausont appelésliaisons hydrogène. Les électrons partagés dans les liaisons covalentes entre l'hydrogène et l'oxygène se trouvent beaucoup plus près de l'atome d'oxygène, ce qui rend l'atome d'oxygène dans H₂O électronégatif et les atomes d'hydrogène électropositifs. La formation qui en résulte de liaisons hydrogène entre molécules adjacentes est donc une conséquence de la polarité des molécules, qui se propage dans tout l'échantillon d'eau.

Si vous tenez un objet chargé près d'un mince filet d'eau provenant d'un robinet (qui est conducteur en raison uniquement de la présence d'ions et d'autres impuretés), vous pouvez voir le jet d'eau se déplacer très légèrement vers l'objet en raison de cet effet. C'est parce que les molécules s'orientent de sorte que l'extrémité de la molécule avec la charge opposée pointe vers l'objet chargé.

Le phénomène de séparation des charges se produit un peu différemment dans les conducteurs que dans les diélectriques. Au lieu que les molécules deviennent des dipôles, les électrons libres sont amenés à se déplacer d'un côté du matériau.

Une tige de verre, qui est un isolant, peut collecter des électrons libres et se charger si elle est glissée sur une surface telle que la laine. (Ceci est un exemple de l'autre type de transfert de charge,inconvénientduction, ou contact direct.) Si une tige chargée négativement est amenée près de la boule d'unélectroscopesans la toucher, les électrons seront « repoussés » et ils se déplaceront librement le long des surfaces conductrices de la boule vers la paire de feuilles d'aluminium suspendues à l'intérieur. Vous verrez les feuilles se repousser.

Notez que l'électroscope est toujours électriquement neutre au total, mais la charge est distribuée différemment. La "fuite" des électrons vers les feuilles à l'intérieur est compensée par le dépôt de charges positives là où la tige est proche de la sphère.

Si vous deviez réellementtoucherla tige chargée à la balle, des électrons seront transférés de la tige à cause des charges positives à proximité. Lorsque vous retirez la tige, l'électroscope reste chargé, mais les charges négatives se répartissent uniformément dans la balle.

Maintenant, vous êtes en mesure de rassembler tout cela et d'observer ce qui se passe lorsque vous placez une tige chargée près d'un conducteur qui peutégalementêtre connecté à autre chose. (Apporter une tige chargée près d'une sphère conductrice et la retirer pour faire "danser" les propres électrons de la sphère en réponse peut devenir ennuyeux après un certain temps.)

Supposons que vous ayez une tige isolante chargée et que vous la rapprochiez d'une sphère conductrice solide reliée à la terre par un poteau isolant. Bien que les sections précédentes aient décrit les dipôles en termes de molécules individuelles dans les diélectriques, le même phénomène est induit "en masse" dans un conducteur par induction. Si le conducteur est une sphère (boule), les électrons du conducteur s'écouleront vers la surface de l'hémisphère opposé à la pointe de la tige.

Imaginez ce qui se passe si, pendant qu'un ami tient la tige en place, vous glissez une seconde bille conductrice également neutre contre la première, directement à l'opposé du placement de la tige. Les électrons qui y sont rassemblés saisiront l'opportunité de s'éloigner encore plus du bâtonnet et de ses électrons répulsifs, et se déplaceront de l'autre côté decettesphère.

Maintenant, vous pouvez faire preuve de créativité. Si vous voulez que la deuxième balle reste chargée, séparez simplement les deux ballestant que la tige est encore en place(et donc des charges positives « distrayantes »). Les électrons auront finalement été transférés de la tige à la deuxième sphère, où ils se répartiront uniformément sur sa surface. La première boule revient à son état initial neutre et uniforme.

• Les objets non symétriques respectent les mêmes règles physiques, mais il n'est pas aussi facile de comprendre le comportement "exact" des électrons que dans le cas des sphères.

Avez-vous déjà réfléchi à ce quefils de terrefaire, ou comment ils fonctionnent? La Terre est considérée comme électriquement neutre, mais elle est suffisamment vaste pour absorber les perturbations locales en charge sans conséquence. Pour cette raison, la Terre peut agir comme un vaste réservoir ou un tampon de charge, fournissant des électrons selon les besoins via des fils de terre pour neutraliser les objets chargés positivement, ou les accepter d'objets chargés négativement à travers le fil à l'opposé direction.

Ainsi, afin d'éviter les tensions indésirables grâce à l'accumulation importante de charges nettes sur les gros objets conducteurs, les fils de terre offrent une fonction de sécurité dans un monde moderne hautement électrique.