קיטוב ואינדוקציה חשמלית: מה זה ואיך זה עובד? (w / דוגמאות)

גם אם אתה לא מתחיל בתחומי המדע הפיזי המכונה אלקטרומגנטיות, סביר להניח שאתה מודע לכך שכמו מטענים דוחים מטענים הפוכים; כלומר מטען חיובי יימשך למטען שלילי אך יטה לדחות מטען חיובי אחר, כאשר אותו כלל פשוט מחזיק לאחור. (זה הבסיס לאמירה היומיומית "הפכים מושכים"; אם זה נכון ברומנטיקה זו אולי שאלה פתוחה, אבל זה בהחלט המקרה בכל הנוגע למטענים חשמליים על אטומים ומולקולות.)

יתכן, עם זאת, לא ידעת כי ייתכן שאובייקט טעון נמשך לאובייקט ניטרלי - כלומר אובייקט ללא מטען נטו. זה אפשרי באמצעות התופעה שלקיטוב מטענים, המסביר את העובדה שמולקולות שהן ניטרליות חשמלית באופן כללי יכולות להיות בהן חלוקת מטען א-סימטרית. בדרך של אנלוגיה, בעיר עשויה להיות מספר שווה של תושבים מתחת לגיל 40 ומעל גיל 40, אך חלוקתם בגבולות העיר היא כמעט בוודאות לא סימטרית.

• ​מולקולותהם אוספים של שני אטומים או יותר המייצגים את היחידה הכימית הקטנה ביותר של תרכובת מסוימת; אטומים אלה יכולים לייצג את אותו יסוד, כגון גז חמצן (O₂), או לכלול מספר אלמנטים, כמו עם פחמן דו חמצני (CO₂).

העברת המטען החשמלי על ידיהַשׁרָאָהכלומר ללא נגיעה ישירה באובייקטים המחליפים מטענים בצורה של אלקטרונים חופשיים - סובב סביב האסטרטגי מיקום של מוליכים, שהם חומרים שדרכם זרם זורם בקלות, ומבודדים, שהם חומרים שדרכם הזרם אינו יכול זְרִימָה. אך יותר מכך, הוא מסתמך על קיטוב של אובייקטים שלמים הנובעים מקיטוב המולקולות המרכיבות אותם, שניתן לווסת בעזרת שדה חשמלי.

בדומה לאופן שבו משוואות התנועה הליניאריות והסיבוביות אנלוגיות זו לזו, המתמטיקה העומדת בבסיס ההשפעות שלשדה חשמלי​ ​הפועל על מטענים נקודתיים דומה מאוד לתיאור ההשפעות של שדה כוח משיכה הפועל על המוני נקודה. הכוח של שדה חשמלי ניתן על ידי

• וקטור השדה החשמלי מצביע באותו כיוון כמו שווקטור הכוח החשמלי עושה כאשרשהוא חיובי. היחידות שלההם ניוטונים לכל קולומב (N / C).

מטענים נקודתיים מקימים שדות חשמליים משלהם. (זכור כי מטענים "נקודתיים" יכולים להיות בעלי כל גודל ועדיין אינם נתפסים כגוזלים נפח כלשהו.) הביטוי לכך הוא:

איפהkהוא קבוע 9 × 10⁹ Nm²/ ג² ורהוא העקירה (מרחק וכיוון) בין המטען לכל נקודה בה מעריכים את השדה. שילוב שתי המשוואות העיקריות לעיל נותן:

מערכת יחסים זו מכונהחוק קולומב​.

אם כל מטען נקודה קובע שדה חשמלי משלו, האם האם ניתן יהיה לקבל שדה חשמלי אחיד - כלומר כזה בו גודל וכיוון שלהאותו הדבר? מסיבות שתראו, נדרש שדה אחיד כדי שכוח הרשת על הדיפול יהיה אפס.

הצבת שתי לוחות מוליכים גדולים לאין שיעור במקביל זה לזה והצבת חומר בידוד, או חומר דיאלקטרי, ביניהן מאפשרת שדה חשמלי שייווצר אם נקבע מתח (הפרש פוטנציאל חשמלי) ביניהם, למשל כאשר הלוחות השונים מחוברים ל- a סוֹלְלָה.

הסדר זה מקורב בייצור שלקבלים, המאחסנים מטען חשמלי במעגלים. קווי השדה החשמלי מאונכים ללוחות ומצביעים לעבר הלוח השלילי. אך כיצד מתחילים להצטבר מטענים על משטחי היחידות הללו מלכתחילה?

שדות חשמליים נטו אינם יכולים להתקיים בתוך מוליכים. הסיבה לכך היא שאם האלקטרונים חופשיים לנוע, הם יעשו זאת עד שהם נמצאים בשיווי משקל, שם סכום כל הכוחות והמומנט הוא אפס, ומכיוון ש F = qE,החייב להיות אפס. במילים אחרות, תנועת אלקטרונים חופשיים במוליך מחסלת כל שדה חשמלי שהיה קיים על ידי "יישורו החוצה" באמצעות תזוזה באלקטרונים.

המצב בתוך מבודדים שונה לגמרי. כל האטומים מורכבים מגרעין טעון חיובי המוקף בענן אלקטרונים. בנוכחות שדה חשמלי חיצוני (אולי נגרם על ידי נוכחות של אובייקט טעון), ענני האלקטרונים יכולים להשתנות, וכתוצאה מכךרגע דיפולוכוח חשמלי נטו.

אמנם אין מטען נטו במבודד, אך אם נדגם חלק ממנו, נוכחותם של רגעים דיפוליים מוביל לצבירה של מטען חיובי נטו מצד אחד של המדגם ומטען שלילי נטו מצד שני צַד. אך מטענים למעשה אינם מצטברים על פני השטח, כמו במוליכים, בגלל התנועה המוגבלת של אלקטרונים בחומרים אלה.

קיטוב מתרחש כאשר האלקטרונים בתוך אובייקט טעון ניטראלי מעבירים את מיקומם הממוצע ביחס ל- פרוטונים, וכתוצאה מכך שני "אשכולות" אלקטרונים (אזורים בעלי צפיפות אלקטרונים מוגברת מקומית) לכל מולקולה ודיפול רֶגַע. שני האישומים הםששווה בעוצמתו וההפך בסימן. בדיפול מולקולרי, מידת הקיטוב נקבעת על פי הרגישות החשמלית של החומר.עמ '= שד= רגע הדיפול של aיחידדיפול בחומר דיאלקטרי.

כדי להשיג תחושה של השפעת השדה החשמליהבתוך המבודד בכללותו, שקול חומר עם צפיפות נפח דיפול שלנטעינת דיפולות ליחידת נפח. אתה שוקל כעת מספר גדול של דיפולות סמוכות, עם מטען חיובי קל בקצה אחד של כל דיפול ומטען שלילי קל בקצה השני. (זו התוצאהדיפול-דיפולאטרקציות בין + ל - טעינות בדיפולות מקצה לקצה.)

צפיפות הקיטוב הדיאלקטריפמאפיין את ריכוז הדיפולות בחומר כתוצאה מהשפעת השדה החשמלי בתוכו:פ= Nעמ '= Nqד.​

​פהוא פרופורציונאלי לחוזק השדה החשמלי, כפי שהייתם מצפים. מערכת יחסים זו ניתנת על ידיפ​ = ε₀χ₀​ה, שם ε₀ הוא הקבוע החשמלי ו- χ₀ הוא הרגישות החשמלית.

חלק מהמולקולות כבר מקוטבות באופן טבעי. אלה נקראים מולקולות קוטביות. דוגמה למולקולה קוטבית היא מים, המורכבים משני אטומי מימן הקשורים לאטום חמצן יחיד. ה- H₂מולקולת O עצמה סימטרית בכך שניתן לחלק אותה לחצאים שווים על ידי מישור הממוקם ביניהם בכיוון הנכון.

הקשרים בין אטומי מימן לאטומי חמצן בתוך אותה מולקולה הם קשרים קוולנטיים, אך אלהבין אטומים אלה במולקולות מים שונותנקראיםקשרי מימן. האלקטרונים המשותפים בקשרים קוולנטיים בין מימן לחמצן קרובים הרבה יותר לאטום החמצן, מה שהופך את אטום החמצן ב- H₂O אלקטרוני שלילי ו אטומי המימן אלקטרופוזיטיביים. היווצרות כתוצאה מכך של קשרי מימן בין מולקולות סמוכות היא אפוא תוצאה של קוטביות המולקולות, המתפשטת דרך כל דגימת המים.

אם אתה מחזיק חפץ טעון ליד זרם דק של מים מברז (שהוא מוליך הנובע רק מ- נוכחות של יונים וזיהומים אחרים), אתה יכול לראות את זרם המים נע כל כך מעט לעבר האובייקט עקב ההשפעה הזאת. הסיבה לכך היא שהמולקולות מכוונות את עצמן כך שקצה המולקולה עם המטען הנגדי מצביע לעבר האובייקט הטעון.

תופעת הפרדת המטען מתרחשת במוליכים קצת אחרת מאשר בדיאלקטריה. במקום שהמולקולות יהפכו לדיפולות, האלקטרונים החופשיים נגרמים לעבור לצד אחד של החומר.

מוט זכוכית, שהוא מבודד, יכול לאסוף אלקטרונים חופשיים ולהיטען אם יוחלף על פני משטח כמו צמר. (זו דוגמה לסוג אחר של העברת חיובים,conצינור, או מגע ישיר.) אם מוט טעון שלילי קרוב לכדור שלאלקטרוסקופמבלי לגעת בו, האלקטרונים "יודחפו", והם נעו בחופשיות לאורך משטחי הכדור המוליכים לעבר צמד עלי האלומיניום התלויים בפנים. תוכלו לראות את העלים דוחים זה את זה.

שים לב שהאלקטרוסקופ עדיין ניטרלי חשמלי בסך הכל, אך המטען מחולק אחרת. ה"בריחה "של האלקטרונים לעבר העלים בפנים מאוזנת על ידי שקיעת מטענים חיוביים במקום בו המוט קרוב לכדור.

אם היית באמתלגעתהמוט הטעון לכדור, אלקטרונים יועברו מהמוט בגלל המטענים החיוביים בקרבת מקום. כאשר אתה מושך את המוט משם, האלקטרוסקופ יישאר טעון, אך המטענים השליליים יתפזרו באופן שווה לאורך הכדור.

עכשיו אתה יכול לחבר את כל זה ולבחון מה קורה כשמניחים מוט טעון קרוב למוליך שעשוי להיותגַםלהיות מחובר למשהו אחר. (קירוב מוט טעון קרוב לכדור מוליך ושליפתו משם בכדי לגרום לאלקטרונים של הכדור עצמו "לרקוד" בתגובה עלול להשתעמם לאחר זמן.)

נניח שיש לך מוט בידוד טעון, ואתה מקרב אותו לכדור מוליך מוצק המחובר לקרקע באמצעות מוט בידוד. למרות שסעיפים קודמים תיארו דיפולות במונחים של מולקולות בודדות בדיאלקטריה, אותה תופעה נגרמת "בהמוניהם" במוליך באמצעות אינדוקציה. אם המוליך הוא כדור (כדור), האלקטרונים של המוליך יזרמו למשטח חצי הכדור שממול לקצה המוט.

תארו לעצמכם מה קורה אם בעוד חבר מחזיק את המוט מלמעלה במקומו, אתם מחליקים כדור מוליך שני, גם ניטראלי, מעל לראש הראשון, ממש מול מיקום המוט. האלקטרונים שנאספו שם ינצלו את ההזדמנות להתרחק עוד יותר מהמוט ומהאלקטרונים הדוחים שלו, ויעברו לצד הרחוק שלזֶהכַּדוּר.

עכשיו אתה יכול להיות יצירתי. אם אתה רוצה שהכדור השני יישאר טעון, פשוט משוך את שני הכדורים זה מזהבזמן שהמוט עדיין במקום(וכך מטענים חיוביים "מסיחים את הדעת"). אלקטרונים יועברו בסופו של דבר מהמוט לתחום השני, שם הם מתפזרים באופן שווה על פני השטח שלו. הכדור הראשון חוזר למצבו הנייטרלי והאחיד ההתחלתי.

• עצמים שאינם סימטריים משחקים לפי אותם חוקים פיזיקליים, אך לא קל להבין את ההתנהגות "המדויקת" של אלקטרונים כמו במקרה של כדורים.

חשבת אי פעם על מהחוטי קרקעלעשות, או איך הם עובדים? כדור הארץ נחשב לניטראלי מבחינה חשמלית, אך הוא נרחב מספיק כדי לספוג הפרעות מקומיות המופקדות ללא תוצאה. בגלל זה, כדור הארץ יכול לשמש כמאגר עצום או כמאגר טעינה, ומספק אלקטרונים לפי הצורך דרך חוטי קרקע לנטרל חפצים טעונים חיוביים, או לקבל אותם מחפצים טעונים שלילית דרך החוט ההפך כיוון.

לכן, על מנת למנוע מתח לא רצוי בזכות הצטברות משמעותית של מטענים נטו על חפצים מוליכים גדולים, חוטי קרקע מציעים תכונת בטיחות בעולם מודרני מאוד חשמלי.