Polarisasi & Induksi Listrik: Apa Itu & Bagaimana Cara Kerjanya? (dengan/ Contoh)

Bahkan jika Anda baru mengenal disiplin ilmu fisika yang dikenal sebagai elektromagnetisme, Anda mungkin menyadari bahwa muatan yang sama tolak-menolak dan muatan yang berlawanan tarik-menarik; yaitu, muatan positif akan tertarik ke muatan negatif tetapi akan cenderung menolak muatan positif lainnya, dengan aturan sederhana yang sama berlaku sebaliknya. (Ini dasar dari pepatah sehari-hari "berlawanan menarik"; apakah ini benar dalam romansa mungkin merupakan pertanyaan terbuka, tetapi memang demikian halnya ketika menyangkut muatan listrik pada atom dan molekul.)

Namun, Anda mungkin tidak tahu bahwa mungkin saja benda bermuatan tertarik ke benda netral – yaitu, benda tanpa muatan bersih. Hal ini dimungkinkan melalui fenomenapolarisasi muatan, yang menjelaskan fakta bahwa molekul yang secara keseluruhan netral secara listrik dapat memiliki distribusi muatan asimetris di dalamnya. Sebagai analogi, sebuah kota mungkin memiliki jumlah penduduk di bawah 40 dan di atas 40 yang sama, tetapi distribusi mereka di dalam batas kota hampir pasti asimetris.

• ​Molekuladalah kumpulan dua atau lebih atom yang mewakili unit kimia terkecil dari senyawa tertentu; atom-atom ini dapat mewakili unsur yang sama, seperti gas oksigen (O₂), atau memasukkan beberapa elemen, seperti karbon dioksida (CO₂).

Perpindahan muatan listrik denganinduksi– artinya tanpa bersentuhan langsung dengan benda-benda yang saling bertukar muatan berupa elektron bebas – berkisar strategis the penempatan konduktor, yang merupakan bahan yang mudah mengalirkan arus, dan isolator, yang merupakan bahan yang tidak dapat dilalui arus mengalir. Tetapi lebih dari itu, ia bergantung pada polarisasi seluruh objek yang berasal dari polarisasi molekul penyusunnya, yang dapat dimodulasi dengan menggunakan medan listrik.

Mirip dengan cara persamaan gerak linier dan rotasi analog satu sama lain, matematika yang mendasari efek anMedan listrik​ ​Ebekerja pada muatan titik sangat mirip dengan yang menggambarkan efek medan gravitasi yang bekerja pada massa titik. Gaya medan listrik diberikan oleh

• Vektor medan listrik menunjuk ke arah yang sama dengan vektor gaya listrik ketikaqadalah positif. Satuan dariEadalah newton per coulomb (N/C).

Muatan titik membentuk medan listriknya sendiri. (Ingat bahwa muatan "titik" dapat memiliki besaran berapa pun dan tetap tidak dianggap memenuhi volume apa pun.) Ekspresi untuk ini adalah:

dimanakadalah konstanta 9 × 10⁹ Nm²/C² danradalah perpindahan (jarak dan arah) antara muatan dan setiap titik di mana medan dinilai. Menggabungkan dua persamaan utama di atas menghasilkan:

Hubungan ini disebuthukum Coulomb​.

Jika setiap muatan titik membentuk medan listriknya sendiri, apakah mungkin untuk memiliki medan listrik yang seragam – yaitu medan listrik yang besar dan arahnyaEadalah sama? Untuk alasan yang akan Anda lihat, medan seragam diperlukan agar gaya total pada dipol menjadi nol.

Menempatkan dua pelat konduktor besar tak terhingga sejajar satu sama lain dan menempatkan bahan isolasi, atau bahan dielektrik, di antara mereka memungkinkan untuk medan listrik yang akan dihasilkan jika tegangan (beda potensial listrik) terbentuk di antara mereka, seperti ketika pelat yang berbeda dipasang pada baterai.

Susunan ini diperkirakan dalam pembuatankapasitor, yang menyimpan muatan listrik dalam rangkaian. Garis-garis medan listrik tegak lurus terhadap pelat dan mengarah ke pelat negatif. Tapi bagaimana muatan menumpuk di permukaan unit-unit ini?

Medan listrik bersih tidak dapat eksis di dalam konduktor. Ini karena, jika elektron bebas bergerak, mereka akan melakukannya sampai mereka berada pada kesetimbangan, di mana jumlah semua gaya dan torsi adalah nol, dan karena F = qE,Eharus nol. Dengan kata lain, pergerakan elektron bebas dalam konduktor melenyapkan medan listrik apa pun yang akan ada dengan "meratakannya" melalui pergeseran elektron.

Situasi di dalam isolator sangat berbeda. Semua atom terdiri dari inti bermuatan positif yang dikelilingi oleh awan elektron. Dengan adanya medan listrik eksternal (mungkin disebabkan oleh adanya benda bermuatan), awan elektron dapat bergeser, menghasilkanmomen dipoldan gaya listrik bersih.

Meskipun tidak ada muatan netto dalam isolator, jika ada bagian yang diambil sampelnya, adanya momen dipol mengarah pada akumulasi muatan positif bersih di satu sisi sampel dan muatan negatif bersih di sisi lain sisi. Tetapi muatan tidak benar-benar menumpuk di permukaan, seperti pada konduktor, karena pergerakan elektron yang terbatas dalam bahan ini.

Polarisasi terjadi ketika elektron dalam benda bermuatan netral menggeser posisi rata-ratanya relatif terhadap proton, menghasilkan dua "gugus" elektron (area peningkatan kerapatan elektron lokal) per molekul dan dipol saat. Kedua muatan tersebut adalahqsama besar dan berlawanan tanda. Dalam dipol molekul, tingkat polarisasi ditentukan oleh kerentanan listrik material.p= qd= momen dipol atunggaldipol dalam bahan dielektrik.

Untuk memahami efek medan listrikEdi dalam isolator secara keseluruhan, pertimbangkan bahan dengan kerapatan volume dipoltidakmuatan dipol per satuan volume. Anda sekarang mempertimbangkan sejumlah besar dipol yang berdekatan, dengan sedikit muatan positif di salah satu ujung setiap dipol dan sedikit muatan negatif di ujung lainnya. (Ini menghasilkandipol-dipoltarik-menarik antara + dan – muatan dalam dipol ujung ke ujung.)

Kerapatan polarisasi dielektrikPmencirikan konsentrasi dipol dalam material sebagai akibat dari pengaruh medan listrik di dalamnya:P= Np= Nqd.​

​Psebanding dengan kekuatan medan listrik, seperti yang Anda harapkan. Hubungan ini diberikan olehP​ = ε₀χ₀​E, dimana₀ adalah konstanta listrik dan₀ adalah suseptibilitas listrik.

Beberapa molekul sudah terpolarisasi secara alami. Ini disebut molekul polar. Contoh molekul polar adalah air, yang terdiri dari dua atom hidrogen yang terikat pada satu atom oksigen. H₂Molekul O itu sendiri simetris karena dapat dibagi menjadi dua bagian yang sama oleh bidang yang ditempatkan di antara mereka dalam orientasi yang benar.

Ikatan antara atom hidrogen dan atom oksigen dalam molekul yang sama adalah ikatan kovalen, tetapi ikatanantara atom-atom ini dalam molekul air yang berbedadisebutikatan hidrogen. Elektron bersama dalam ikatan kovalen antara hidrogen dan oksigen terletak lebih dekat ke atom oksigen, membuat atom oksigen di H making₂O elektronegatif dan atom hidrogen elektropositif. Pembentukan ikatan hidrogen yang dihasilkan antara molekul yang berdekatan dengan demikian merupakan konsekuensi dari polaritas molekul, yang merambat melalui seluruh sampel air.

Jika Anda memegang benda bermuatan di dekat aliran air tipis dari keran (yang merupakan konduktor karena hanya kehadiran ion dan kotoran lainnya), Anda dapat melihat aliran air bergerak sedikit ke arah objek karena object efek ini. Ini karena molekul mengorientasikan diri sehingga ujung molekul dengan muatan berlawanan mengarah ke objek bermuatan.

Fenomena pemisahan muatan terjadi sedikit berbeda dalam konduktor daripada di dielektrik. Alih-alih molekul menjadi dipol, elektron bebas diinduksi untuk pindah ke satu sisi material.

Batang kaca, yang merupakan isolator, dapat mengumpulkan elektron bebas dan menjadi bermuatan jika digesekkan pada permukaan seperti wol. (Ini adalah contoh dari jenis lain dari transfer biaya,menipuduksi, atau kontak langsung.) Jika batang bermuatan negatif didekatkan dengan bolaelektroskoptanpa menyentuhnya, elektron akan "didorong menjauh", dan elektron akan bergerak bebas di sepanjang permukaan konduktor bola menuju sepasang daun aluminium yang tergantung di dalamnya. Anda akan melihat daun saling tolak.

Perhatikan bahwa elektroskop masih netral secara listrik secara total, tetapi muatannya didistribusikan secara berbeda. "Pelarian" elektron menuju daun di dalam diseimbangkan oleh pengendapan muatan positif di mana batang dekat dengan bola.

Jika Anda benar-benarmenyentuhbatang bermuatan ke bola, elektron akan ditransfer dari batang karena muatan positif di dekatnya. Saat Anda menarik batangnya, elektroskop akan tetap bermuatan, tetapi muatan negatif akan menyebar sendiri secara merata ke seluruh bola.

Sekarang, Anda berada dalam posisi untuk menggabungkan semua ini dan mengamati apa yang terjadi ketika Anda menempatkan batang bermuatan dekat dengan konduktor yang mungkinjugadihubungkan dengan sesuatu yang lain. (Membawa batang bermuatan dekat ke bola konduktor dan menariknya menjauh untuk membuat elektron bola itu sendiri "menari" sebagai tanggapan mungkin akan membosankan setelah beberapa waktu.)

Asumsikan Anda memiliki batang isolasi bermuatan, dan Anda mendekatkannya ke bola konduktor padat yang terhubung ke tanah oleh tiang isolasi. Meskipun bagian sebelumnya telah dijelaskan dipol dalam hal molekul individu dalam dielektrik, fenomena yang sama diinduksi "secara massal" dalam konduktor melalui induksi. Jika penghantar berbentuk bola (bola), elektron penghantar akan mengalir ke permukaan belahan yang berlawanan dengan ujung batang.

Bayangkan apa yang terjadi jika, ketika seorang teman memegang tongkat dari atas di tempatnya, Anda menggeser bola konduktor netral kedua ke atas melawan yang pertama, tepat di seberang penempatan tongkat. Elektron yang terkumpul di sana akan mengambil kesempatan untuk menjauh lebih jauh dari batang dan elektron penolaknya, dan akan pindah ke sisi yang jauh dari batang.inibola.

Sekarang Anda bisa berkreasi. Jika Anda ingin bola kedua tetap terisi, cukup tarik kedua bola tersebutsaat tongkat masih di tempat(dan dengan demikian "mengalihkan" muatan positif). Elektron pada akhirnya akan ditransfer dari batang ke bola kedua, di mana mereka mendistribusikan diri secara merata di seluruh permukaannya. Bola pertama kembali ke keadaan netral dan seragam awalnya.

• Objek non-simetris bermain dengan aturan fisik yang sama, tetapi tidak mudah untuk mengetahui perilaku elektron yang "tepat" seperti dalam kasus bola.

Pernahkah Anda merenungkan apa?kabel tanahlakukan, atau bagaimana cara kerjanya? Bumi dianggap netral secara elektrik, tetapi cukup luas untuk menyerap gangguan lokal yang bertanggung jawab tanpa konsekuensi. Karena itu, Bumi dapat bertindak sebagai reservoir besar atau penyangga muatan, memasok elektron sesuai kebutuhan melalui kabel ground ke menetralisir benda bermuatan positif, atau menerimanya dari benda bermuatan negatif melalui kabel yang berlawanan arah.

Jadi, untuk mencegah tegangan yang tidak diinginkan berkat akumulasi muatan bersih yang cukup besar pada objek konduktor besar, kabel arde menawarkan fitur keamanan di dunia modern yang sangat elektrik.