분극 및 전기 유도: 그것은 무엇이며 어떻게 작동합니까? (예제 포함)

전자기학으로 알려진 물리 과학 분야에 익숙하지 않더라도 전하가 반발하고 반대 전하가 끌어 당긴다는 사실을 알고있을 것입니다. 즉, 양전하가 음전하에 끌리지 만 동일한 간단한 규칙이 반대로 유지되면서 다른 양전하를 격퇴하는 경향이 있습니다. (이것이 "반대가 끌린다"는 말의 기초입니다. 이것이 로맨스에서 사실인지 여부는 아마도 공개 된 질문 일 수 있지만 원자와 분자의 전하에 관해서는 확실히 그렇습니다.)

그러나 대전 된 물체가 중립 물체, 즉 순 전하가없는 물체에 끌릴 수 있다는 사실을 모를 수 있습니다. 이것은 현상을 통해 가능합니다전하 분극이는 전기적으로 중성 인 분자가 그 안에 비대칭 전하 분포를 가질 수 있다는 사실을 설명합니다. 비유하자면 한 도시에는 40 세 미만과 40 세 이상의 주민이 같은 수이지만 도시 경계 내 분포는 거의 확실하게 비대칭입니다.

• ​분자특정 화합물의 최소 화학 단위를 나타내는 두 개 이상의 원자 집합입니다. 이러한 원자는 산소 가스 (O₂) 또는 이산화탄소 (CO₂).

에 의한 전하의 이전유도– 자유 전자의 형태로 전하를 교환하는 물체를 직접 건드리지 않는 의미 – 전략을 중심으로 전류가 쉽게 흐르는 물질 인 도체와 전류가 통과 할 수없는 물질 인 절연체의 배치 흐름. 그러나 그 이상으로 전계를 사용하여 변조 될 수있는 구성 분자의 분극화에서 비롯된 전체 물체의 분극화에 의존합니다.

운동의 선형 및 회전 방정식이 서로 유사한 방식과 유사하게, 수학은전기장​ ​이자형점 전하에 작용하는 것은 점 질량에 작용하는 중력장의 효과를 설명하는 것과 매우 유사합니다. 전기장의 힘은 다음과 같이 주어진다.

• 전기장 벡터는 전기력 벡터와 같은 방향을 가리 킵니다.큐긍정적입니다. 단위이자형쿨롱 당 뉴턴 (N / C)입니다.

포인트 요금은 자체 전기장을 설정합니다. ( "점"전하는 어떤 크기도 가질 수 있지만 여전히 부피를 차지하는 것으로 간주되지 않는다는 것을 기억하십시오.) 이에 대한 표현은 다음과 같습니다.

어디케이상수 9 × 10⁹ Nm²/씨² 과아르 자형전하와 장이 평가되는 지점 사이의 변위 (거리 및 방향)입니다. 위의 두 가지 주요 방정식을 결합하면 다음이 제공됩니다.

이 관계는쿨롱의 법칙​.

각 포인트 전하가 자체 전기장을 설정하면 균일 한 전기장을 가질 수 있습니까? 즉, 전기장의 크기와 방향이이자형는 ~와 마찬가지로? 알 수있는 이유로 쌍극자에 대한 순 힘이 0이 되려면 균일 한 필드가 필요합니다.

두 개의 무한히 큰 전도 판을 서로 평행하게 배치하고 그 사이에 절연 재료 또는 유전체 재료를 배치하면 전압 (전위차)이 전압 (전위차)이 설정되면 생성되는 전기장 (예: 서로 다른 플레이트가 벽에 부착 된 경우) 배터리.

이 배열은커패시터, 회로에 전하를 저장합니다. 전기장 선은 판에 수직이며 음의 판을 가리 킵니다. 그러나 처음부터 이러한 유닛의 표면에 전하가 축적되는 방법은 무엇입니까?

순 전기장은 도체 내부에 존재할 수 없습니다. 이는 전자가 자유롭게 움직일 수 있다면, 모든 힘과 토크의 합이 0 인 평형 상태가 될 때까지 움직이고 F = qE이므로,이자형0이어야합니다. 즉, 전도체에서 자유 전자의 이동은 전자의 이동을 통해 "평탄화"함으로써 존재하는 모든 전기장을 제거합니다.

절연체 내부의 상황은 상당히 다릅니다. 모든 원자는 전자 구름으로 둘러싸인 양전하를 띤 핵으로 구성됩니다. 외부 전기장이 존재하는 경우 (아마도 하전 된 물체의 존재로 인해 발생) 전자 구름이 이동하여쌍극자 모멘트그리고 순 전기력.

절연체에는 순 전하가 없지만 일부가 샘플링되면 쌍극자 모멘트가 샘플의 한쪽에는 순 양전하가 축적되고 다른쪽에는 순 음전하가 축적됩니다. 측면. 그러나 이러한 물질에서 전자의 제한된 이동으로 인해 전도체와 마찬가지로 전하는 실제로 표면에 축적되지 않습니다.

분극은 중성으로 하전 된 물체 내의 전자가 양성자, 분자 당 두 개의 "클러스터"전자 (국부적으로 증가 된 전자 밀도 영역)와 쌍극자 순간. 두 가지 요금은큐크기가 같고 부호가 반대입니다. 분자 쌍극자에서 분극의 정도는 재료의 전기 감수성에 의해 결정됩니다.피= q디= a의 쌍극자 모멘트단일유전체 재료의 쌍극자.

전기장의 효과를 이해하려면이자형절연체 내부 전체에서 쌍극자 체적 밀도가엔단위 부피당 전하 쌍극자. 이제 각 쌍극자의 한쪽 끝에는 약간의 양전하가 있고 다른 쪽 끝에는 약간의 음전하가있는 많은 수의 인접한 쌍극자를 고려하고 있습니다. (이 결과쌍극자 쌍극자종단 간 쌍극자에서 +와 – 요금 사이의 매력.)

유전체 분극 밀도피물질 내 전기장의 영향으로 물질의 쌍극자 농도를 특성화합니다.피= N피= Nq디.​

​피예상대로 전기장의 강도에 비례합니다. 이 관계는피​ = ε₀χ₀​이자형, 여기서 ε₀ 전기 상수와 χ₀ 전기 감수성입니다.

일부 분자는 이미 자연적으로 분극화되어 있습니다. 이것을 극성 분자라고합니다. 극성 분자의 예는 단일 산소 원자에 결합 된 두 개의 수소 원자로 구성된 물입니다. H₂O 분자 자체는 올바른 방향으로 배치 된 평면에 의해 동일한 절반으로 나눌 수 있다는 점에서 대칭입니다.

같은 분자 내에서 수소 원자와 산소 원자 사이의 결합은 공유 결합이지만다른 물 분자에있는이 원자들 사이불린다수소 결합. 수소와 산소 사이의 공유 결합에서 공유되는 전자는 산소 원자에 훨씬 더 가깝게 위치하여 H의 산소 원자를 만듭니다.₂O 전기 음성 및 수소 원자 전기 양성. 따라서 인접한 분자 사이의 수소 결합 형성은 전체 물 샘플을 통해 전파되는 분자 극성의 결과입니다.

수도꼭지에서 나오는 얇은 물줄기 근처에 대전 된 물체를 들고 있으면 이온 및 기타 불순물의 존재), 물의 흐름이 물체를 향해 조금씩 움직이는 것을 볼 수 있습니다. 이 효과. 이는 분자가 반대 전하를 가진 분자의 끝이 하전 된 물체를 향하도록 방향을 잡기 때문입니다.

전하 분리 현상은 유전체와 도체에서 약간 다르게 발생합니다. 분자가 쌍극자가되는 대신 자유 전자가 물질의 한쪽으로 이동하도록 유도됩니다.

절연체 인 유리 막대는 자유 전자를 수집 할 수 있으며 양모와 같은 표면을 문지르면 전하가됩니다. (이것은 다른 종류의 전하 이전의 예입니다.범죄자유도 또는 직접 접촉.) 음전하를 띤 막대가 공 근처로전기 현미경접촉하지 않고 전자는 "밀려 나가고"공의 전도 표면을 따라 내부에 매달려있는 한 쌍의 알루미늄 잎을 향해 자유롭게 움직일 것입니다. 나뭇잎이 서로를 밀어내는 것을 볼 수 있습니다.

electroscope는 여전히 전체적으로 전기적으로 중성이지만 전하는 다르게 분포됩니다. 내부 잎을 향한 전자의 "도피"는 막대가 구에 가까운 양전하의 침전에 의해 균형을 이룹니다.

만약 당신이 실제로접촉충전 된 막대가 공으로 이동하면 근처의 양전하 때문에 막대에서 전자가 전달됩니다. 막대를 잡아 당기면 electroscope는 충전 된 상태로 유지되지만 음전하는 공 전체에 고르게 분포됩니다.

이제 여러분은이 모든 것을한데 모아서 충전 된 막대를 도체 가까이에 놓았을 때 어떤 일이 일어나는지 관찰 할 수 있습니다.또한다른 것과 연결되어 있습니다. (전하를 띤 막대를 전도성 구체에 가까이 가져 와서 구체의 전자가 응답으로 "춤"도록하기 위해 잡아 당기는 것은 시간이 지나면 지루해질 수 있습니다.)

충전 된 절연 막대가 있고 절연 기둥으로지면에 연결된 고체 전도체에 가깝게 가져 간다고 가정합니다. 이전 섹션에서는 유전체의 개별 분자 측면에서 쌍극자를 설명했지만 동일한 현상이 유도를 통해 도체에서 "집중"으로 유도됩니다. 도체가 구 (볼) 인 경우 도체의 전자는 막대 끝의 반대쪽 반구 표면으로 흐릅니다.

친구가 막대를 위에서 제자리에 잡고있는 동안 두 번째 중성 전도 공을 막대 배치의 바로 반대편에있는 첫 번째 공을 밀어 올리면 어떻게되는지 상상해보십시오. 거기에 모인 전자는 막대와 그 기피 성 ​​전자에서 더 멀어 질 기회를 포착하고 먼쪽으로 이동할 것입니다.이구체.

이제 창의력을 발휘할 수 있습니다. 두 번째 공이 충전 된 상태로 유지되도록하려면 두 개의 공을 분리하기 만하면됩니다.막대가 제자리에있는 동안(따라서 "산만하게하는"양전하). 전자는 궁극적으로 막대에서 두 번째 구체로 전달되어 표면 전체에 고르게 분포됩니다. 첫 번째 공은 초기 중립 및 균일 상태로 돌아갑니다.

• 비대칭 물체는 동일한 물리적 규칙에 따라 작동하지만, 구체의 경우처럼 전자의 "정확한"동작을 파악하는 것은 쉽지 않습니다.

무엇을 생각해 본 적이 있습니까?접지선또는 어떻게 작동합니까? 지구는 전기적으로 중립적 인 것으로 간주되지만 결과없이 전하의 국부적 인 섭동을 흡수 할 수있을만큼 광대합니다. 이로 인해 지구는 광대 한 저장소 또는 전하 버퍼 역할을 할 수 있으며 필요에 따라 접지선을 통해 전자를 공급하여 양전하를 띤 물체를 중화하거나 반대편의 전선을 통해 음전하를 띤 물체로부터 물체를 받아들이십시오 방향.

따라서 큰 전도체에 상당한 순 전하가 축적되어 원치 않는 전압을 방지하기 위해 접지선은 고도로 전기적인 현대 세계에서 안전 기능을 제공합니다.