Čak i ako ste novi u disciplini fizičke znanosti poznatoj kao elektromagnetizam, vjerojatno ste svjesni da se slični naboji odbijaju, a suprotni naboji privlače; to jest, pozitivan naboj privući će negativni naboj, ali će težiti odbijanju drugog pozitivnog naboja, s istim jednostavnim pravilom u obrnutom smjeru. (To je osnova svakodnevne izreke "suprotnosti se privlače"; je li to istina u romantičnoj ljubavi možda je otvoreno pitanje, ali to je sigurno slučaj kada je riječ o električnim nabojima na atomima i molekulama.)
Možda, međutim, ne znate da je moguće da nabijeni objekt privuče neutralni objekt - to jest objekt bez neto naboja. To je moguće putem fenomenapolarizacija naboja, što objašnjava činjenicu da molekule koje su u cjelini električki neutralne mogu u sebi imati asimetričnu raspodjelu naboja. Analogno tome, grad može imati jednak broj stanovnika mlađih od 40 i više od 40 godina, ali njihova je distribucija unutar gradskih granica gotovo sigurno asimetrična.
- Molekulesu zbirke dva ili više atoma koji predstavljaju najmanju kemijsku jedinicu određenog spoja; ti atomi mogu predstavljati isti element, kao što je plin kisik (O2), ili uključuju više elemenata, kao kod ugljičnog dioksida (CO2).
Prijenos električnog naboja pomoćuindukcija- što znači bez izravnog dodirivanja predmeta koji izmjenjuju naboje u obliku slobodnih elektrona - vrti se oko strateškog postavljanje vodiča koji su materijali kroz koje struja lako teče i izolatori koji su materijali kroz koje struja ne može teći. Ali više od toga, oslanja se na polarizaciju cijelih predmeta koja proizlazi iz polarizacije njihovih sastavnih molekula, a koja se može modulirati pomoću električnog polja.
Točkasti naboji i električna polja
Slično načinu na koji su linearne i rotacijske jednadžbe gibanja analogne jedna drugoj, matematika u osnovi ima učinkeelektrično polje Edjelovanje na točkaste naboje jako sliči onom koji opisuje učinke gravitacijskog polja koje djeluje na točkaste mase. Sila električnog polja dana je s
F_E = qE
- Vektor električnog polja usmjeren je u istom smjeru kao i vektor električnog polja kadaqje pozitivan. JediniceEsu njutni po kulonu (N / C).
Točkasti naboji uspostavljaju vlastita električna polja. (Imajte na umu da "točkaste" naboje mogu imati bilo koju veličinu, ali i dalje ne smiju biti zamišljene kao da zauzimaju bilo koji volumen.) Izraz za to je:
E = \ frac {kq} {r ^ 2}
gdjekje konstanta 9 × 109 Nm2/ C2 irje pomak (udaljenost i smjer) između naboja i bilo koje točke u kojoj se procjenjuje polje. Kombinacijom dviju glavnih jednadžbi gore dobivamo:
F_E = \ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}
Ta je veza poznata kaoCoulombov zakon.
Ujednačena električna polja i polarizacija
Ako svaki točkasti naboj uspostavi svoje vlastito električno polje, je li moguće imati jednoliko električno polje - tj. Takvo u kojem veličina i smjerEje isti? Iz razloga koje ćete vidjeti, potrebno je jednoliko polje da bi neto sila na dipolu bila nula.
Postavljanje dvije beskonačno velike provodne ploče paralelno jedna uz drugu i postavljanje izolacijskog materijala ili dielektričnog materijala između njih omogućuje električno polje koje će se generirati ako se između njih uspostavi napon (razlika električnog potencijala), na primjer kada su različite ploče pričvršćene na baterija.
Ovaj je raspored približan u proizvodnjikondenzatori, koji pohranjuju električni naboj u krugovima. Linije električnog polja okomite su na ploče i usmjerene su prema negativno ploči. Ali kako se za početak nakupljaju naboji na površinama tih jedinica?
Polarizacija izolatora
Neto električna polja ne mogu postojati unutar vodiča. To je zato što će, ako se elektroni mogu slobodno kretati, to činiti dok ne budu u ravnoteži, gdje je zbroj svih sila i obrtnih momenta jednak nuli, a budući da je F = qEEmora biti nula. Drugim riječima, kretanje slobodnih elektrona u vodiču briše svako električno polje koje bi postojalo "izravnavanjem" kroz pomicanje elektrona.
Situacija unutar izolatora je sasvim drugačija. Svi se atomi sastoje od pozitivno nabijene jezgre okružene elektronskim oblakom. U prisutnosti vanjskog električnog polja (možda uzrokovanog prisutnošću nabijenog predmeta), oblaci elektrona mogu se pomicati, što rezultiradipolni trenutaki neto električna sila.
Iako u izolatoru nema neto naboja, ako se uzorkuje bilo koji njegov dio, prisutnost dipolnih momenata dovodi do nakupljanja neto pozitivnog naboja s jedne strane uzorka i neto negativnog naboja s druge strane strana. Ali naboji se zapravo ne nakupljaju na površini, kao kod vodiča, zbog ograničenog kretanja elektrona u tim materijalima.
Definicija polarizacije
Polarizacija se događa kada elektroni unutar neutralno nabijenog objekta pomaknu svoj prosječni položaj u odnosu na protoni, što rezultira dvama "nakupinama" elektrona (područja lokalizirane povećane elektronske gustoće) po molekuli i dipolu trenutak. Dvije optužbe suqjednake veličine i suprotne predznaka. U molekularnom dipolu, opseg polarizacije određuje se električnom osjetljivošću materijala.str= qd= dipolni moment asingldipol u dielektričnom materijalu.
Da bi se stekao osjećaj utjecaja električnog poljaEunutar izolatora kao cjeline razmotrite materijal s volumnom gustoćom dipola odNdipoli naboja po jedinici zapremine. Sada razmatrate velik broj susjednih dipola, s blagim pozitivnim nabojem na jednom kraju svakog dipola i blagim negativnim nabojem na drugom kraju. (To rezultiradipol-dipolatrakcije između + i - naboja u dipolima od kraja do kraja.)
Gustoća dielektrične polarizacijeStrkarakterizira koncentraciju dipola u materijalu kao rezultat utjecaja električnog polja u njemu:Str= Nstr= Nqd.
Strproporcionalna je snazi električnog polja, kao što biste očekivali. Ovaj odnos dajeStr = ε0χ0E, gdje je ε0 je električna konstanta i χ0 je električna osjetljivost.
Polarne molekule
Neke molekule su već prirodno polarizirane. Oni se nazivaju polarnim molekulama. Primjer polarne molekule je voda koja se sastoji od dva atoma vodika vezana za jedan atom kisika. H2Sama molekula O simetrična je po tome što se može podijeliti na jednake polovice ravninom postavljenom između njih u ispravnoj orijentaciji.
Veze između atoma vodika i atoma kisika unutar iste molekule jesu kovalentne veze, ali oneizmeđu ovih atoma u različitim molekulama vodese zovuvodikove veze. Elektroni podijeljeni u kovalentnim vezama između vodika i kisika leže mnogo bliže atomu kisika, čineći atom kisika u H2O elektronegativni i atomi vodika elektropozitivni. Rezultirajuća tvorba vodikovih veza između susjednih molekula posljedica je polariteta molekula, koja se širi kroz cijeli uzorak vode.
Ako napunjeni predmet držite blizu tankog mlaza vode iz slavine (koja je vodič samo zbog prisutnost iona i drugih nečistoća), možete vidjeti kako se struja vode sve manje kreće prema objektu zbog ovaj efekt. To je zato što se molekule orijentiraju tako da kraj molekule s suprotnim nabojem usmjerava prema nabijenom objektu.
Električna indukcija
Fenomen odvajanja naboja događa se malo drugačije u vodičima nego u dielektricima. Umjesto da molekule postanu dipoli, induciraju se slobodni elektroni da se pomaknu na jednu stranu materijala.
Staklena šipka, koja je izolator, može sakupljati slobodne elektrone i postati nabijena ako se njome prevuče preko površine poput vune. (Ovo je primjer druge vrste prijenosa naboja,konzračenja ili izravnog kontakta.) Ako se negativno nabijena šipka približi loptielektroskopbez dodirivanja, elektroni će se "odgurnuti" i slobodno će se kretati duž provodnih površina kugle prema paru aluminijskih listova koji vise unutra. Vidjet ćete kako se lišće odbija.
Imajte na umu da je elektroskop u cjelini još uvijek električki neutralan, ali se naboj drugačije distribuira. "Bježanje" elektrona prema lišću unutra uravnoteženo je taloženjem pozitivnih naboja tamo gdje je štap blizu kugle.
Kad biste zapravododirnabijenu šipku na kuglu, elektroni će se prenijeti iz šipke zbog pozitivnih naboja u blizini. Kad povučete šipku, elektroskop će ostati nabijen, ali negativni naboji ravnomjerno će se rasporediti po kuglici.
Primjeri indukcije
Sad ste u mogućnosti sve to spojiti i promatrati što se događa kad stavite napunjenu šipku blizu vodiča koji možetakođerbiti povezan s nečim drugim. (Približavanje napunjene šipke vodljivoj kugli i izvlačenjem kako bi vlastiti elektroni sfere "zaplesali" kao odgovor može s vremenom postati dosadno.)
Pretpostavimo da imate nabijenu izolacijsku šipku i približite je čvrstoj provodnoj kugli povezanoj izolacijskim stupićem s tlom. Iako su prethodni odjeljci opisivali dipole u terminima pojedinačnih molekula u dielektricima, isti se fenomen inducira "masovno" u vodiču. Ako je vodič kugla (kugla), elektroni vodiča će teći na površinu hemisfere nasuprot vrhu šipke.
Dvostruke sfere
Zamislite što se događa ako, dok prijatelj drži štap odozgo na mjestu, gurnete drugu, također neutralnu provodnu kuglu prema prvoj, točno nasuprot smještanju šipke. Okupljeni elektroni iskoristit će priliku da se odmaknu još dalje od štapa i njegovih odbijajućih elektrona i pomaknut će se na dalju stranuovajsfera.
Sada možete postati kreativni. Ako želite da druga kugla ostane napunjena, jednostavno razdvojite dvije kuglicedok je štap još na mjestu(i na taj način "ometaju" pozitivne naboje). Elektroni će na kraju biti prebačeni sa štapa u drugu kuglu, gdje će se ravnomjerno rasporediti po njezinoj površini. Prva se lopta vraća u početno neutralno i jednolično stanje.
- Nesimetrični objekti igraju se prema istim fizičkim pravilima, ali nije tako lako shvatiti "točno" ponašanje elektrona kao u slučaju kuglica.
Uzemljene žice
Jeste li ikad razmišljali o čemuuzemljene žicerade ili kako rade? Zemlja se smatra električki neutralnom, ali je dovoljno velika da bez posljedica apsorbira zadužene lokalne perturbacije. Zbog toga Zemlja može djelovati kao ogromni rezervoar ili pufer za punjenje, opskrbljujući elektrone po potrebi preko zemaljskih žica neutralizirati pozitivno nabijene predmete ili ih suprotno prihvatiti od negativno nabijenih predmeta kroz žicu smjer.
Dakle, kako bi se spriječio neželjeni napon zahvaljujući velikom nakupljanju neto naboja na velikim provodnim objektima, uzemljivačke žice nude sigurnosnu značajku u modernom električnom svijetu.