პოლარიზაცია და ელექტროინდუქცია: რა არის ეს და როგორ მუშაობს? (w / მაგალითები)

მაშინაც კი, თუ თქვენ დაიწყოთ ფიზიკური მეცნიერების დისციპლინა, რომელიც ცნობილია როგორც ელექტრომაგნეტიზმი, თქვენ ალბათ იცით, რომ ისევე როგორც მუხტები მოგერიება და საპირისპირო მუხტები იზიდავს; ეს არის ის, რომ პოზიტიური მუხტი მოიზიდება უარყოფითი მუხტი, მაგრამ მოისურვებს სხვა პოზიტიური მუხტის მოგერიებას, იგივე მარტივი წესი პირიქითაა. (ეს არის ყოველდღიური გამონათქვამის საფუძველი: "საწინააღმდეგოები იზიდავს"; სიმართლეა ეს რომანტიკაში, ალბათ, ღია კითხვაა, მაგრამ, რა თქმა უნდა, საქმე ეხება ატომებსა და მოლეკულებზე ელექტრულ მუხტებს.)

შეიძლება თქვენ არ იცოდეთ, რომ დამუხტული ობიექტის ნეიტრალური ობიექტის მოზიდვაა შესაძლებელი - ეს არის ობიექტი, რომელსაც არ გააჩნია წმინდა მუხტი. ეს შესაძლებელია ფენომენის საშუალებითმუხტის პოლარიზაცია, რაც ითვალისწინებს იმ ფაქტს, რომ ელექტრონულად ნეიტრალური მოლეკულები შეიძლება ჰქონდეს ასიმეტრიული მუხტის განაწილება მათში. ანალოგიის მიხედვით, ქალაქში შეიძლება თანაბარი რაოდენობის 40 – წლამდე და 40 – ზე მეტი მცხოვრები იყოს, მაგრამ მათი განაწილება ქალაქის საზღვრებში თითქმის ასიმეტრიულია.

• ​Მოლეკულებიორი ან მეტი ატომის კოლექციაა, რომლებიც წარმოადგენს კონკრეტული ნაერთის ყველაზე პატარა ქიმიურ ერთეულს; ამ ატომებს შეუძლიათ წარმოადგინონ იგივე ელემენტი, მაგალითად, ჟანგბადის გაზი (O₂), ან მოიცავს მრავალ ელემენტს, როგორც ნახშირორჟანგს (CO)₂).

ელექტრო მუხტის გადაცემა ავტორიინდუქცია- მნიშვნელობა უშუალოდ იმ ობიექტებზე შეხების გარეშე, რომლებიც თავისუფალ ელექტრონების სახით იცვლიან მუხტებს - ბრუნავს სტრატეგიული კონდუქტორების განთავსება, რომლებიც არის მასალები, რომელთა საშუალებით მიმდინარეობა ადვილად მიედინება და იზოლატორები, რომლებიც არიან მასალები, რომელთა საშუალებითაც მიმდინარეობა არ შეიძლება დინება ამასთანავე, იგი ეყრდნობა მთელი ობიექტების პოლარიზაციას, რაც გამომდინარეობს მათი შემადგენელი მოლეკულების პოლარიზაციიდან, რომლის მოდულირებაც შესაძლებელია ელექტრული ველის გამოყენებით.

მოძრაობის წრფივი და ბრუნვითი განტოლებების მსგავსია ერთმანეთის ანალოგიური, მათემატიკა უდევს ეფექტებსელექტრული ველი​ ​ეწერტილოვან მუხტებზე მოქმედება ძლიერ ჰგავს წერტილოვან მასებზე მოქმედი გრავიტაციული ველის მოქმედების აღწერას. ელექტრული ველის ძალას იძლევა

• ელექტრული ვექტორის ვექტორი იმავე მიმართულებით მიუთითებს, როგორც ელექტრული ძალის ვექტორიqპოზიტიურია ერთეულებიეარის ნიულონი თითო კულონზე (N / C).

წერტილოვანი მუხტები ადგენენ საკუთარ ელექტრულ ველებს. (გახსოვდეთ, რომ "წერტილოვანი" ბრალდებას შეიძლება ჰქონდეს ნებისმიერი სიდიდე და მაინც ვერ ჩაითვალოს, რომ რაიმე მოცულობას იღებს.) ამის გამოთქმაა:

სადკარის მუდმივი 9 × 10⁹ ნმ²/ გ² დარარის გადაადგილება (მანძილი და მიმართულება) მუხტსა და ნებისმიერ წერტილს შორის, სადაც ველი იზომება. ზემოთ მოცემული ორი ძირითადი განტოლების გაერთიანება იძლევა:

ეს ურთიერთობა ცნობილია როგორცკულონის კანონი​.

თუ თითოეული წერტილოვანი მუხტი ადგენს საკუთარ ელექტრულ ველს, შესაძლებელია თუ არა ერთიანი ელექტრული ველის არსებობა - ეს არის ის, რომლის სიდიდე და მიმართულებაეიგივეა? მიზეზების გამო, რომლებიც დაინახავთ, საჭიროა ერთიანი ველი, რომ დიპოლის წმინდა ძალა იყოს ნულოვანი.

ერთმანეთის პარალელურად ორი უსასრულოდ დიდი გამტარ ფირფიტის განთავსება და მათ შორის საიზოლაციო მასალის, ან დიელექტრიკული მასალის განთავსება საშუალებას იძლევა ელექტრული ველი უნდა წარმოიქმნას, თუ მათ შორის დამყარდება ძაბვა (ელექტრო პოტენციალის სხვაობა), მაგალითად, როდესაც სხვადასხვა ფირფიტები მიმაგრებულია ა აკუმულატორი

ეს შეთანხმება დაახლოებით არის წარმოებისათვისკონდენსატორები, რომელიც ინახავს ელექტრულ მუხტს სქემებში. ელექტრული ველის ხაზები პერპენდიკულარულია ფირფიტების მიმართ და მიემართება უარყოფითად ფირფიტისკენ. როგორ იწყება ამ მუხლების ზედაპირზე მუხტების დაწყება?

წმინდა ელექტრული ველები არ შეიძლება არსებობდეს კონდუქტორების შიგნით. ეს იმიტომ ხდება, რომ თუ ელექტრონები თავისუფლად გადაადგილდებიან, ისინი ამას გააკეთებენ მანამ, სანამ ისინი წონასწორობამდე მიდიან, სადაც ყველა ძალის და ბრუნვის ჯამი ნულოვანია, და რადგან F = qE,ენულის ტოლი უნდა იყოს. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, გამტარში თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობა ანადგურებს ნებისმიერ ელექტრულ ველს, რომელიც იარსებებდა ელექტრონების ცვლის საშუალებით ”მისი გათანაბრებით”.

იზოლატორების შიგნით მდგომარეობა საკმაოდ განსხვავებულია. ყველა ატომი შედგება დადებითად დამუხტული ბირთვისგან, რომელიც გარშემორტყმულია ელექტრონული ღრუბლით. გარე ელექტრული ველის არსებობისას (შესაძლოა გამოწვეული იყოს დამუხტული ობიექტის არსებობით), ელექტრონულ ღრუბლებს შეუძლიათ გადაიტანონ, რის შედეგადაცდიპოლური მომენტიდა წმინდა ელექტრო ძალა.

მიუხედავად იმისა, რომ იზოლატორში არ არის წმინდა მუხტი, თუ მისი რომელიმე ნაწილის შერჩევა ხდება, დიპოლური მომენტების არსებობაა მივყავართ სუფთა პოზიტიური მუხტის დაგროვებას ნიმუშის ერთ მხარეს და წმინდა უარყოფით მუხტს მეორე მხარეს მხარე მაგრამ მუხტები ფაქტობრივად არ გროვდება ზედაპირზე, ისევე როგორც გამტარებთან, ამ მასალებში ელექტრონების შეზღუდული მოძრაობის გამო.

პოლარიზაცია ხდება მაშინ, როდესაც ნეიტრალურად დამუხტულ ობიექტში მყოფი ელექტრონები საშუალო პოზიციას ცვლიან შედარებით პროტონები, რის შედეგადაც ხდება ელექტრონების ორი "გროვა" (ლოკალიზებული ელექტრონული სიმკვრივის არეები) თითო მოლეკულაზე და დიპოლი მომენტი ორი ბრალდებააqსიდიდის ტოლი და ნიშნის საწინააღმდეგო. მოლეკულურ დიპოლში პოლარიზაციის მასშტაბი განისაზღვრება მასალის ელექტრული მგრძნობელობით.გვ= qდ= დიპოლური მომენტიმარტოხელადიპოლური მასალის დიპოლი.

ელექტრული ველის ეფექტის შეგრძნების მოსაპოვებლადემთლიან იზოლატორში, გაითვალისწინეთ მასალა დიპოლური მოცულობის სიმკვრივითნმუხტის დიპოლები ერთეულ მოცულობაზე. ახლა თქვენ განიხილავთ მომიჯნავე დიპოლების დიდ რაოდენობას, თითოეული დიპოლის ერთ ბოლოში მცირედ დადებითი მუხტით, ხოლო მეორე ბოლოს მცირე უარყოფითი მუხტით. (ეს იწვევსდიპოლური-დიპოლურიატრაქციონები + და - მუხტებს ბოლოდან ბოლომდე დიპოლებში.)

დიელექტრიკული პოლარიზაციის სიმკვრივეპახასიათებს მასში დიპოლების კონცენტრაციას მასში ელექტრული ველის ზემოქმედების შედეგად:პ= ნგვ= Nqდ​

​პპროპორციულია ელექტრული ველის სიძლიერეზე, როგორც თქვენ მოელით. ამ ურთიერთობას იძლევაპ​ = ε₀χ₀​ე, სადაც ε₀ არის ელექტრული მუდმივა და χ₀ არის ელექტრული მგრძნობელობა.

ზოგიერთი მოლეკულა უკვე ბუნებრივად პოლარიზებულია. ამას პოლარული მოლეკულები ეწოდება. პოლარული მოლეკულის მაგალითია წყალი, რომელიც შედგება ორი წყალბადის ატომისგან, რომლებიც ერთ ჟანგბადის ატომთანაა დაკავშირებული. ჰ₂თავად O მოლეკულა სიმეტრიულია იმით, რომ იგი შეიძლება დაიყოს თანაბარ ნაწილად, მათ შორის სწორი თვითმფრინავით განთავსებული თვითმფრინავით.

ობლიგაციები წყალბადის ატომებსა და ჟანგბადის ატომებს შორის ერთსა და იმავე მოლეკულაში არის კოვალენტური კავშირები, მაგრამ ესენი არიანამ ატომებს შორის წყლის სხვადასხვა მოლეკულაშიუწოდებენწყალბადის ობლიგაციები. ელექტრონები, რომლებიც კოვალენტურ კავშირებში არიან გაზიარებულ წყალბადსა და ჟანგბადს შორის, უფრო ახლოს არიან ჟანგბადის ატომთან, რაც ჟანგბადის ატომს ქმნის H- ს₂O ელექტრონეგატიური და წყალბადის ატომები ელექტროპოზიტიური. შედეგად წყალბადის ბმების წარმოქმნა მიმდებარე მოლეკულებს შორის არის შედეგი მოლეკულების პოლარობისა, რომელიც ვრცელდება წყლის მთლიანი ნიმუშით.

თუ დამუხტული ობიექტი ონკანიდან წყლის თხელი ნაკადის მახლობლად გაქვთ (რომელიც გამტარია მხოლოდ იონების და სხვა მინარევების არსებობა), თქვენ ხედავთ წყლის ნაკადის მოძრაობას ასე ოდნავ ობიექტისკენ ეს ეფექტი. ეს იმიტომ ხდება, რომ მოლეკულები ორიენტირებულნი არიან ისე, რომ მოლეკულის ბოლო საპირისპირო მუხტით მიმართული იყოს დამუხტული ობიექტისკენ.

მუხტის გამოყოფის ფენომენი კონდუქტორებში ცოტა განსხვავებულად ხდება, ვიდრე დიელექტრიკებში. იმის ნაცვლად, რომ მოლეკულები გახდნენ დიპოლები, თავისუფალი ელექტრონები იწვევენ მასალის ერთ მხარეს გადასაადგილებლად.

შუშის ჯოხს, რომელიც იზოლატორს წარმოადგენს, შეუძლია შეაგროვოს თავისუფალი ელექტრონები და დამუხტული გახდეს ზედაპირზე, მაგალითად, ბამბაზე. (ეს არის სხვა სახის გადასახადის გადაცემის მაგალითი,კონანკენა, ან პირდაპირი კონტაქტი.) თუ უარყოფითად დამუხტული ჯოხი მიუახლოვდება ბურთის ბურთსელექტროსკოპიმასზე შეხების გარეშე ელექტრონები "მოშორდებიან" და ისინი თავისუფლად გადაადგილდებიან ბურთის გამტარი ზედაპირების გასწვრივ, შიგნით ჩამოკიდებული ალუმინის წყვილი. ნახავთ, როგორ იშორებს ფოთლები ერთმანეთს.

გაითვალისწინეთ, რომ ელექტროსკოპი მაინც ელექტრონულად ნეიტრალურია, მაგრამ მუხტი სხვაგვარად არის განაწილებული. ელექტრონების "გაქცევა" შიგნით ფოთლებისკენ გაწონასწორებულია პოზიტიური მუხტების მოგვარებით, სადაც ჯოხი სფეროსთან ახლოს არის.

თუ სინამდვილეში იქნებოდიშეხებადამუხტული ჯოხი ბურთთან, ელექტრონები გადაადგილდებიან ჯოხიდან ახლომდებარე დადებითი მუხტების გამო. როდესაც ჯოხს მოაცილებთ, ელექტროსკოპი დამუხტული დარჩება, მაგრამ უარყოფითი მუხტები თანაბრად გადანაწილდება მთელ ბურთზე.

ახლა თქვენ შეძლებთ ეს ყველაფერი მოაწყოთ და დააკვირდეთ რა ხდება, როდესაც დამუხტულ წნელს განათავსებთ კონდუქტორთან,ასევესხვა რამესთან იყოს დაკავშირებული. (დამუხტული ჯოხის მიტანა გამტარ სფეროსთან და მისი დაშორება, რომ სფეროს საკუთარი ელექტრონები "ცეკვავენ" საპასუხოდ, შეიძლება მოსაწყენი გახდეს გარკვეული დროის შემდეგ.)

დავუშვათ, რომ თქვენ გაქვთ დამუხტული საიზოლაციო ჯოხი და მიუახლოვდით მყარ გამტარ სფეროს, რომელიც მიწასთან არის დაკავშირებული საიზოლაციო საყრდენით. მიუხედავად იმისა, რომ წინა განყოფილებებში აღწერილია დიპოლები ელექტროენერგიის ინდივიდუალური მოლეკულების თვალსაზრისით, იგივე ფენომენი გამოწვეულია "მასობრივად" გამტარში ინდუქციის საშუალებით. თუ კონდუქტორი არის სფერო (ბურთი), გამტარის ელექტრონები მიედინება წვერის წვერის საპირისპირო ნახევარსფეროს ზედაპირზე.

წარმოიდგინეთ, რა მოხდება, თუკი მეგობარი ზემოდან ატარებს ჯოხს, თქვენ გადაისრიალებთ მეორეზე, ასევე ნეიტრალურად ატარებთ ბურთს პირველზე, წნულის პირდაპირ მოპირდაპირედ. იქ შეკრებილი ელექტრონები გამოიყენებენ შესაძლებლობას, კიდევ უფრო შორს დაიჭირონ ჯოხიდან და მისი საწინააღმდეგო ელექტრონებიდან და გადაინაცვლებენ შორეულ მხარესესსფერო.

ახლა თქვენ შეგიძლიათ შემოქმედებითობა მიიღოთ. თუ გსურთ, რომ მეორე ბურთი დამუხტული დარჩეს, უბრალოდ ორი ბურთი გაშალეთსანამ ჯოხი ჯერ ისევ ადგილზეა(და ამით პოზიტიური ბრალდებების "ყურადღების გადატანას"). საბოლოოდ ელექტრონები გადაიყვანეს ჯოხიდან მეორე სფეროში, სადაც ისინი თანაბრად გადანაწილდებიან მის ზედაპირზე. პირველი ბურთი უბრუნდება საწყის ნეიტრალურ და ერთგვაროვან მდგომარეობას.

• არასიმეტრიული ობიექტები თამაშობენ იგივე ფიზიკური წესებით, მაგრამ ელექტრონების "ზუსტი" ქცევის გარკვევა არც ისე ადვილია, როგორც სფეროების შემთხვევაში.

ოდესმე გიფიქრიათ რამიწის ხაზებიაკეთებს, ან როგორ მუშაობს ისინი? დედამიწა განიხილება როგორც ელექტრონულად ნეიტრალური, მაგრამ ის საკმარისად ფართოა, რომ აითვისოს პასუხისმგებელი ადგილობრივი არეულობები უშედეგოდ. ამის გამო, დედამიწას შეუძლია იმოქმედოს, როგორც უზარმაზარი რეზერვუარი ან მუხტის ბუფერი, რაც ელექტრონებს ამარაგებს მიწის ხაზების მეშვეობით დადებითად დამუხტული საგნების განეიტრალება, ან უარყოფითი დამუხტული საგნებისგან მათი მიღება საპირისპირო მავთულის მეშვეობით მიმართულება

იმისათვის, რომ თავიდან იქნას აცილებული არასასურველი ძაბვა დიდი გამტარ ობიექტებზე წმინდა ბრალდების მნიშვნელოვანი დაგროვების წყალობით, მიწის ხაზები გთავაზობთ უსაფრთხოების მახასიათებელს მაღალ ელექტრულ თანამედროვე სამყაროში.