Polarizzazione e induzione elettrica: cos'è e come funziona? (con esempi)

Anche se sei nuovo nella disciplina della scienza fisica nota come elettromagnetismo, probabilmente sei consapevole che le cariche simili si respingono e le cariche opposte si attraggono; cioè, una carica positiva sarà attratta da una carica negativa ma tenderà a respingere un'altra carica positiva, con la stessa semplice regola che vale al contrario. (Questa è la base del detto quotidiano "gli opposti si attraggono"; se questo sia vero nel romanticismo è forse una domanda aperta, ma è certamente il caso quando si tratta di cariche elettriche su atomi e molecole.)

Potresti, tuttavia, non sapere che è possibile che un oggetto carico sia attratto da un oggetto neutro, ovvero un oggetto senza carica netta. Ciò è possibile attraverso il fenomeno dipolarizzazione di carica, che spiega il fatto che le molecole che sono complessivamente elettricamente neutre possono avere una distribuzione di carica asimmetrica al loro interno. Per analogia, una città potrebbe avere un numero uguale di residenti under 40 e over 40, ma la loro distribuzione all'interno dei confini cittadini è quasi certamente asimmetrica.

• ​molecolesono raccolte di due o più atomi che rappresentano la più piccola unità chimica di un particolare composto; questi atomi possono rappresentare lo stesso elemento, come il gas ossigeno (O₂), o includere più elementi, come con l'anidride carbonica (CO₂).

Il trasferimento di carica elettrica dainduzione– significato senza contatto diretto degli oggetti che si scambiano cariche sotto forma di elettroni liberi – ruota attorno allo strategico posizionamento di conduttori, che sono materiali attraverso i quali la corrente scorre facilmente, e isolanti, che sono materiali attraverso i quali la corrente non può flusso. Ma più di questo, si basa sulla polarizzazione di interi oggetti derivanti dalla polarizzazione delle loro molecole costituenti, che possono essere modulate con l'uso di un campo elettrico.

Simile al modo in cui le equazioni del moto lineare e rotazionale sono analoghe tra loro, la matematica alla base degli effetti di ancampo elettrico​ ​Eagire su cariche puntiformi assomiglia molto a quello che descrive gli effetti di un campo gravitazionale che agisce su masse puntiformi. La forza di un campo elettrico è data da

• Il vettore del campo elettrico punta nella stessa direzione del vettore della forza elettrica quandoqè positivo. Le unità diEsono newton per coulomb (N/C).

Le cariche puntiformi stabiliscono i propri campi elettrici. (Ricorda che le cariche "puntiformi" possono avere qualsiasi grandezza e ancora non essere concepite come occupanti alcun volume.) L'espressione per questo è:

doveKè la costante 9 ×10⁹ Nm²/C² erè lo spostamento (distanza e direzione) tra la carica e qualsiasi punto in cui viene valutato il campo. Combinando le due equazioni principali sopra si ottiene:

Questa relazione è nota comeLegge di Coulomb​.

Se ogni carica puntiforme stabilisce il proprio campo elettrico, è possibile avere un campo elettrico uniforme, cioè uno in cui l'ampiezza e la direzione diEè la stessa? Per i motivi che vedrai, è necessario un campo uniforme affinché la forza netta su un dipolo sia zero.

Posizionare due piastre conduttrici infinitamente grandi parallele tra loro e interporre un materiale isolante, o materiale dielettrico, consente un campo elettrico da generare se tra loro si stabilisce una tensione (differenza di potenziale elettrico), ad esempio quando le diverse piastre sono fissate a un batteria.

Questa disposizione è approssimata nella fabbricazione dicondensatori, che immagazzinano la carica elettrica nei circuiti. Le linee del campo elettrico sono perpendicolari alle piastre e puntano verso la piastra negativa. Ma per cominciare, come si accumulano le cariche sulle superfici di queste unità?

I campi elettrici netti non possono esistere all'interno dei conduttori. Questo perché, se gli elettroni sono liberi di muoversi, lo faranno fino a quando non saranno all'equilibrio, dove la somma di tutte le forze e le coppie è zero, e poiché F = qE,Edeve essere zero. In altre parole, il movimento degli elettroni liberi in un conduttore cancella qualsiasi campo elettrico che esisterebbe "livellandolo" tramite uno spostamento degli elettroni.

Ben diversa è la situazione all'interno degli isolanti. Tutti gli atomi sono costituiti da un nucleo carico positivamente circondato da una nuvola di elettroni. In presenza di un campo elettrico esterno (forse causato dalla presenza di un oggetto carico), le nubi di elettroni possono spostarsi, determinando unmomento di dipoloe una forza elettrica netta.

Sebbene non vi sia alcuna carica netta in un isolante, se viene campionata una parte di esso, la presenza di momenti di dipolo porta all'accumulo di carica netta positiva su un lato del campione e di una carica netta negativa sull'altro lato. Ma le cariche in realtà non si accumulano sulla superficie, come con i conduttori, a causa del movimento limitato degli elettroni in questi materiali.

La polarizzazione si verifica quando gli elettroni all'interno di un oggetto con carica neutra spostano la loro posizione media rispetto al protoni, risultando in due "cluster" di elettroni (aree di maggiore densità elettronica localizzata) per molecola e un dipolo momento. Le due accuse sonoquguale in modulo e opposto di segno. In un dipolo molecolare, l'entità della polarizzazione è determinata dalla suscettibilità elettrica del materiale.p= qd= il momento di dipolo di asingledipolo in un materiale dielettrico.

Per avere un'idea dell'effetto del campo elettricoEall'interno dell'isolante nel suo insieme, si consideri un materiale con una densità di volume dipolo dinodipoli di carica per unità di volume. Stai ora considerando un gran numero di dipoli adiacenti, con una leggera carica positiva a un'estremità di ciascun dipolo e una leggera carica negativa all'altra estremità. (Questo risulta indipolo-dipoloattrazioni tra + e – cariche in dipoli end-to-end.)

La densità di polarizzazione dielettricaPcaratterizza la concentrazione di dipoli nel materiale come risultato dell'influenza del campo elettrico al suo interno:P= Np= Nqd.​

​Pè proporzionale alla forza del campo elettrico, come ci si aspetterebbe. Questa relazione è data daP​ = ε₀χ₀​E, dove₀ è la costante elettrica e₀ è la suscettibilità elettrica.

Alcune molecole sono già naturalmente polarizzate. Queste sono chiamate molecole polari. Un esempio di molecola polare è l'acqua, che consiste di due atomi di idrogeno legati a un singolo atomo di ossigeno. l'H₂La stessa molecola di O è simmetrica in quanto può essere divisa in metà uguali da un piano posto tra di loro nell'orientamento corretto.

I legami tra atomi di idrogeno e atomi di ossigeno all'interno della stessa molecola sono legami covalenti, ma quellitra questi atomi in diverse molecole d'acquasono chiamatilegami di idrogeno. Gli elettroni condivisi nei legami covalenti tra idrogeno e ossigeno si trovano molto più vicini all'atomo di ossigeno, rendendo l'atomo di ossigeno in H₂O elettronegativo e gli atomi di idrogeno elettropositivi. La risultante formazione di legami idrogeno tra molecole adiacenti è quindi una conseguenza della polarità delle molecole, che si propaga attraverso l'intero campione d'acqua.

Se tieni un oggetto carico vicino a un sottile getto d'acqua da un rubinetto (che è un conduttore a causa solo del presenza di ioni e altre impurità), è possibile vedere il flusso d'acqua spostarsi leggermente verso l'oggetto a causa di questo effetto. Questo perché le molecole si orientano in modo che l'estremità della molecola con la carica opposta punti verso l'oggetto carico.

Il fenomeno della separazione di carica avviene in modo leggermente diverso nei conduttori rispetto ai dielettrici. Invece di molecole che diventano dipoli, gli elettroni liberi sono indotti a spostarsi su un lato del materiale.

Una bacchetta di vetro, che è un isolante, può raccogliere elettroni liberi e caricarsi se fatta scorrere su una superficie come la lana. (Questo è un esempio dell'altro tipo di trasferimento di addebito,conduzione o contatto diretto.) Se un'asta caricata negativamente viene avvicinata alla sfera di unelettroscopiosenza toccarlo, gli elettroni verranno "spinti via" e si muoveranno liberamente lungo le superfici conduttrici della sfera verso la coppia di foglie di alluminio appese all'interno. Vedrai che le foglie si respingono.

Si noti che l'elettroscopio è ancora elettricamente neutro in totale, ma la carica è distribuita in modo diverso. La "fuga" degli elettroni verso le foglie interne è bilanciata dal depositarsi di cariche positive dove l'asta è vicina alla sfera.

Se dovessi davverotoccarel'asta carica alla palla, gli elettroni verranno trasferiti dall'asta a causa delle cariche positive vicine. Quando tiri via l'asta, l'elettroscopio rimarrà carico, ma le cariche negative si distribuiranno uniformemente su tutta la palla.

Ora sei in grado di mettere insieme tutto questo e osservare cosa succede quando metti un'asta carica vicino a un conduttore che potrebbeancheessere collegato a qualcos'altro. (Portare un'asta carica vicino a una sfera conduttiva e tirarla via per far "danzare" gli elettroni della sfera in risposta potrebbe diventare noioso dopo un po' di tempo.)

Supponiamo di avere un'asta isolante carica e di avvicinarla a una sfera conduttrice solida collegata a terra da un palo isolante. Sebbene le sezioni precedenti abbiano descritto i dipoli in termini di singole molecole nei dielettrici, lo stesso fenomeno è indotto "in massa" in un conduttore tramite induzione. Se il conduttore è una sfera (palla), gli elettroni del conduttore fluiranno sulla superficie dell'emisfero opposto alla punta dell'asta.

Immagina cosa succede se, mentre un amico tiene in posizione l'asta dall'alto, fai scivolare una seconda palla, anch'essa neutra, contro la prima, direttamente di fronte al posizionamento dell'asta. Gli elettroni lì raccolti coglieranno l'opportunità di allontanarsi ancora di più dall'asta e dai suoi elettroni repellenti, e si sposteranno all'estremità opposta delQuestosfera.

Ora puoi essere creativo. Se vuoi che la seconda pallina rimanga carica, separa semplicemente le due pallinementre l'asta è ancora in posizione(e quindi cariche positive "distraenti"). Gli elettroni saranno stati trasferiti alla fine dall'asta alla seconda sfera, dove si distribuiranno uniformemente sulla sua superficie. La prima palla ritorna al suo stato iniziale neutro e uniforme.

• Gli oggetti non simmetrici giocano secondo le stesse regole fisiche, ma non è così facile capire il comportamento "esatto" degli elettroni come nel caso delle sfere.

Hai mai pensato a cosa?fili di terrafare, o come funzionano? La Terra è considerata elettricamente neutra, ma è abbastanza vasta da assorbire le perturbazioni locali in carica senza conseguenze. Per questo motivo, la Terra può agire come un vasto serbatoio o tampone di carica, fornendo elettroni secondo necessità attraverso i fili di terra a neutralizzare oggetti con carica positiva, o accettarli da oggetti con carica negativa attraverso il filo nell'opposto direzione.

Quindi, al fine di prevenire tensioni indesiderate grazie al considerevole accumulo di cariche nette su grandi oggetti conduttori, i cavi di terra offrono una caratteristica di sicurezza in un mondo moderno altamente elettrico.