Polarizáció és elektromos indukció: mi ez és hogyan működik? (példákkal)

Még akkor is, ha új ismeretei vannak a fizikai tudományban az elektromágnesesség néven ismert tudományágnak, valószínűleg tisztában van azzal, hogy a hasonló töltések taszítják és az ellentétes töltések vonzanak; vagyis a pozitív töltés vonzódik egy negatív töltéshez, de hajlamos visszaverni egy másik pozitív töltést, ugyanazzal az egyszerű szabályral fordítva tartva. (Ez az alapja a mindennapi "ellentétek vonzanak" mondásnak; hogy ez igaz-e a romantikában, talán nyitott kérdés, de minden bizonnyal így van az atomok és molekulák elektromos töltésével kapcsolatban.)

Nem tudhatja azonban, hogy lehetséges-e egy töltött objektum vonzása egy semleges objektumhoz - vagyis egy objektumhoz, amelynek nincs nettó töltése. Ez a jelenség révén lehetségestöltéspolarizáció, amely azt a tényt tükrözi, hogy az elektromosan semleges molekulák aszimmetrikus töltéseloszlásúak lehetnek bennük. Analógia útján egy városban ugyanannyi 40 és 40 év alatti lakos élhet, de a város határain belüli eloszlásuk szinte biztosan aszimmetrikus.

• ​Molekulákkét vagy több atom gyűjteménye, amelyek egy adott vegyület legkisebb kémiai egységét képviselik; ezek az atomok ugyanazt az elemet jelenthetik, például oxigéngázt (O₂), vagy tartalmazhat több elemet, mint a szén-dioxid (CO₂).

Az elektromos töltés átadásaindukció- vagyis a szabad elektronok formájában töltést cserélő tárgyak közvetlen érintése nélkül - a stratégiai körül forog A vezetők elhelyezése, amelyek olyan anyagok, amelyeken keresztül az áram könnyen áramlik, és a szigetelők, amelyek olyan anyagok, amelyeken keresztül az áram nem képes folyam. De ennélfogva egész tárgyak polarizációjára támaszkodik, amely az alkotó molekuláik polarizációjából ered, és amely elektromos mező használatával modulálható.

Hasonlóan ahhoz, ahogyan a lineáris és a rotációs egyenletek analógak egymással, az an hatásainak matematikája iselektromos mező​ ​Ea ponttöltésekre ható hatás erősen hasonlít a gravitációs mező ponttömegekre ható hatásainak leírására. Az elektromos tér erejét az adja

• Az elektromos mező vektor ugyanabba az irányba mutat, mint az elektromos erő vektor, amikorqpozitív. Az egységekENewton per coulomb (N / C).

A ponttöltések létrehozzák saját elektromos terüket. (Ne feledje, hogy a "pontszerű" töltések bármilyen nagyságrendűek lehetnek, és még mindig nem tekinthetők úgy, hogy bármilyen hangerőt felvennének.) Ennek kifejezése:

holka 9 × 10 állandó⁹ Nm²/ C² ésraz elmozdulás (távolság és irány) a töltés és a mező bármely pontja között. A fenti két fő egyenlet kombinációja:

Ez a kapcsolat néven ismertCoulomb törvénye​.

Ha minden ponttöltet létrehozza a saját elektromos terét, lehetséges-e egységes elektromos tér - azaz olyan, amelyben aEugyanaz? Látható okokból egységes mezőre van szükség ahhoz, hogy a dipólus nettó ereje nulla legyen.

Két végtelenül nagy vezetőlemezt helyezve egymással párhuzamosan, és szigetelőanyagot vagy dielektromos anyagot helyezve közéjük, akkor generálandó elektromos mező, ha feszültség (elektromos potenciálkülönbség) jön létre közöttük, például amikor a különböző lemezeket a akkumulátor.

Ez az elrendezés közelít a gyártásáhozkondenzátorok, amelyek az elektromos töltést áramkörökben tárolják. Az elektromos mező vonalai merőlegesek a lemezekre és a negatív lemez felé mutatnak. De hogyan kezdenek ezeknek az egységeknek a felületén töltések kialakulni?

A vezetőkben nettó elektromos tér nem létezhet. Ez azért van, mert ha az elektronok szabadon mozoghatnak, akkor addig teszik, amíg egyensúlyba nem kerülnek, ahol az összes erő és nyomaték összege nulla, és mivel F = qE,Enulla kell legyen. Más szavakkal, a szabad elektronok mozgása egy vezetőben megsemmisít minden olyan elektromos teret, amely az elektronok eltolódásával "kiegyenlítve" létezne.

A szigetelők belsejében egészen más a helyzet. Minden atom pozitív töltésű magból áll, amelyet elektronfelhő vesz körül. Külső elektromos tér jelenlétében (amelyet valószínűleg egy töltött tárgy jelenléte okoz), az elektronfelhők elmozdulhatnak, amidipólmomentumés egy nettó elektromos erő.

Bár a szigetelőben nincs nettó töltés, ha annak bármely részét mintavételezik, a dipólusos momentumok jelenléte a minta egyik oldalán nettó pozitív töltés, a másik oldalon pedig negatív negatív töltés felhalmozódásához vezet oldal. De a töltések valójában nem halmozódnak fel a felületen, mint a vezetőknél, mivel az elektronok ezekben az anyagokban korlátozottan mozognak.

A polarizáció akkor következik be, amikor a semleges töltésű objektumon belüli elektronok eltolják átlagos helyzetüket a protonok, így molekulánként két elektron "klaszter" (a lokalizált megnövekedett elektronsűrűség területei) és egy dipól pillanat. A két vád azqegyenlő nagyságú és ellentétes előjelű. Molekuláris dipólusban a polarizáció mértékét az anyag elektromos érzékenysége határozza meg.o= qd= a dipólus nyomatékaegyetlendipólus egy dielektromos anyagban.

Érzékelni az elektromos tér hatásátEA szigetelő belsejében vegye figyelembe az anyagot, amelynek dipólia térfogatsűrűsége:Ntérfogat egységenként töltési dipólusok Ön most nagyszámú szomszédos dipólust fontolgat, mindegyik dipólus egyik végén enyhe pozitív töltéssel, a másik végén pedig enyhe negatív töltéssel. (Ennek eredményekéntdipól-dipóla + és - közötti töltések a végpontok közötti dipólokban.)

A dielektromos polarizációs sűrűségPjellemzi a dipólusok koncentrációját az anyagban a benne lévő elektromos mező hatása következtében:P= No= Nqd.​

​Parányos az elektromos tér erősségével, amire számítani lehet. Ezt a kapcsolatot az adjaP​ = ε₀χ₀​E, ahol ε₀ az elektromos állandó és χ₀ az elektromos érzékenység.

Egyes molekulák már természetesen polarizáltak. Ezeket poláris molekuláknak nevezzük. A poláris molekulára példa a víz, amely két hidrogénatomból áll, amelyek egyetlen oxigénatomhoz kapcsolódnak. A H₂Maga az O molekula szimmetrikus abban a tekintetben, hogy egyenlő felekre osztható a közöttük helyes irányban elhelyezett síkkal.

Az azonos molekulában lévő hidrogénatomok és oxigénatomok közötti kötések kovalens kötések, de ezekezen atomok között különböző vízmolekulákbanhívjákhidrogénkötések. A kovalens kötésekben megosztott elektronok a hidrogén és az oxigén között sokkal közelebb helyezkednek el az oxigénatomhoz, így az oxigénatom H-ban van₂O elektronegatív és a hidrogénatomok elektropozitívak. A szomszédos molekulák közötti hidrogénkötések kialakulása tehát a molekulák polaritásának következménye, amely a teljes vízmintán terjed.

Ha egy feltöltött tárgyat egy csapból származó vékony vízfolyás közelében tart (amely csak a vezetõnek köszönhetõen vezetõ) ionok és egyéb szennyeződések jelenléte), láthatja, hogy a vízfolyás olyan enyhén mozog az objektum felé ez a hatás. A molekulák ugyanis úgy orientálódnak, hogy az ellenkező töltésű molekula vége a töltött tárgy felé mutat.

A töltésszétválás jelensége kissé másképp történik a vezetőkben, mint a dielektrikumokban. Ahelyett, hogy a molekulák dipólokká válnának, a szabad elektronokat arra késztetik, hogy az anyag egyik oldalára mozogjanak.

A hőszigetelő üvegrúd szabad elektronokat gyűjthet és feltöltődhet, ha egy felületen, például gyapjúban végighúzza. (Ez egy példa a másik típusú átutalásra,convezetés, vagy közvetlen érintkezés.) Ha negatív töltésű rudat hoznak a golyó közelébeelektroszkópanélkül, hogy hozzáérne, az elektronok "eltolódnak", és szabadon mozoghatnak a golyó vezető felületei mentén a benne lógó alumínium levélpár felé. Látni fogja, ahogy a levelek taszítják egymást.

Ne feledje, hogy az elektroszkóp még mindig elektromosan semleges, de a töltés eltérően oszlik meg. Az elektronok "menekülését" a belső levelek felé kiegyenlíti a pozitív töltések leülepedése, ahol a rúd közel van a gömbhöz.

Ha valójábanérintésa töltött rúd a gömbhöz, az elektronok átkerülnek a rúdból a közeli pozitív töltések miatt. Amikor elhúzza a rudat, az elektroszkóp töltve marad, de a negatív töltések egyenletesen oszlanak el a gömbön.

Most abban a helyzetben van, hogy mindezt összerakja, és megfigyelheti, mi történik, amikor egy töltött rudat egy vezetőhöz helyezünkiskapcsolódni kell valamihez. (Töltött rudat egy vezető gömb közelébe hozni, és elrángatni, hogy a gömb saját elektronjai "táncoljanak" válaszként, egy idő után unalmassá válhat.)

Tegyük fel, hogy van feltöltött szigetelő rúdja, és közel hozza egy szilárd vezető gömbhöz, amelyet szigetelő oszlop köt össze a talajjal. Bár az előző szakaszokban a dipólusokat a dielektrikumban lévő egyes molekulák tekintetében írták le, ugyanaz a jelenség indukció útján "tömegesen" indukálódik egy vezetőben. Ha a vezető gömb (golyó), akkor a vezető elektronjai a rúd csúcsával szemközti félteke felületére áramlanak.

Képzelje el, mi történik, ha egy barátja fentről tartja a rudat a helyén, miközben egy második, szintén semleges vezető labdát csúsztat az első ellen, közvetlenül a rúd elhelyezésével szemben. Az ott összegyűlt elektronok megragadják a lehetőséget, hogy még messzebb kerüljenek a rúdtól és annak taszító elektronjaitól, és aezgömb.

Most kreatívabbá válhat. Ha azt szeretné, hogy a második labda töltve maradjon, egyszerűen húzza szét a két labdátmiközben a rúd még mindig a helyén van(és ezáltal "elterelő" pozitív töltések). Az elektronok végül átkerülnek a rúdról a második szférába, ahol egyenletesen oszlanak el a felszínen. Az első labda visszaáll kezdeti semleges és egyenletes állapotába.

• A nem szimmetrikus tárgyak ugyanazokkal a fizikai szabályokkal játszanak, de nem olyan könnyű kitalálni az elektronok "pontos" viselkedését, mint a gömbök esetében.

Gondolkodtál már azon, hogy miföldelő vezetékekvagy hogyan működnek? A Földet elektromosan semlegesnek tekintik, de elég hatalmas ahhoz, hogy következmény nélkül elnyelje a felelős helyi zavarokat. Emiatt a Föld hatalmas tározóként vagy töltőpufferként működhet, szükség esetén az elektronokat földelő vezetéken keresztül juttatja a földhöz semlegesítse a pozitív töltésű tárgyakat, vagy fogadja el őket negatívan töltött tárgyaktól az ellentétes vezetéken keresztül irány.

Tehát annak érdekében, hogy megakadályozzák a nem kívánt feszültséget a nagymértékben vezető tárgyak nettó töltésének jelentős felhalmozódásának köszönhetően, a földelő vezetékek biztonsági funkciót kínálnak a rendkívül elektromos modern világban.