Poliarizacija ir elektros indukcija: kas tai yra ir kaip tai veikia? (su pavyzdžiais)

Net jei esate fizikos mokslo srities naujokas, žinomas kaip elektromagnetizmas, jūs tikriausiai žinote, kad panašūs krūviai atbaido, o priešingi krūviai traukia; tai yra, teigiamą krūvį pritrauks neigiamas krūvis, tačiau jis bus linkęs atremti kitą teigiamą krūvį, laikydamasis tos pačios paprastos taisyklės atvirkščiai. (Tai yra kasdienio posakio „traukia priešingybės“ pagrindas; ar tai teisinga romantikoje, galbūt yra atviras klausimas, bet tai tikrai pasakytina apie atomų ir molekulių elektrinius krūvius.)

Tačiau galite nežinoti, kad įmanoma, kad įkrautą objektą pritrauktų neutralus objektas, tai yra objektas, kuriam netaikomas grynasis krūvis. Tai įmanoma per reiškinįkrūvio poliarizacija, kuris atspindi faktą, kad molekulės, kurios apskritai yra elektriniu požiūriu neutralios, jose gali turėti asimetrinį krūvio pasiskirstymą. Pagal analogiją mieste gali būti vienodas skaičius jaunesnių nei 40 ir 40 metų gyventojų, tačiau jų pasiskirstymas miesto ribose beveik neabejotinai yra asimetriškas.

• ​Molekulėsyra dviejų ar daugiau atomų kolekcijos, atstovaujančios mažiausią konkretaus junginio cheminį vienetą; šie atomai gali atstovauti tą patį elementą, pavyzdžiui, deguonies dujas (O₂) arba apima kelis elementus, kaip ir anglies dioksidą (CO₂).

Elektros krūvio perdavimasindukcija- reikšmė, tiesiogiai neliečiant objektus, kurie keičiasi krūviais laisvųjų elektronų pavidalu, sukasi aplink strateginį laidininkų, kurie yra medžiagos, per kurias srovė lengvai teka, ir izoliatorių, kurie yra medžiagos, kuriomis srovė negali, išdėstymas tekėti. Be to, tai remiasi ištisų objektų poliarizacija, atsirandančia dėl jų sudedamųjų molekulių poliarizacijos, kurią galima moduliuoti naudojant elektrinį lauką.

Panašiai, kaip tiesinės ir sukimosi judesio lygtys yra analogiškos viena kitai, matematika yra pagrindaselektrinis laukas​ ​Eveikdamas taškinius krūvius, labai panašus į gravitacinio lauko, veikiančio taškų masėms, poveikį. Elektrinio lauko jėgą suteikia

• Elektrinio lauko vektorius nukreipiamas ta pačia kryptimi, kaip ir tada, kai elektrinės jėgos vektoriusqyra teigiamas. VienetaiEyra niutonai kulonoje (N / C).

Taškiniai krūviai nustato savo elektrinius laukus. (Atminkite, kad „taškiniai“ krūviai gali būti bet kokio masto ir vis tiek negali būti suprantami kaip apimantys bet kokį tūrį.) Tai išreiškiama taip:

kurkyra pastovioji 9 × 10⁹ Nm²/ C² irryra poslinkis (atstumas ir kryptis) tarp krūvio ir bet kurio lauko įvertinimo taško. Sujungus dvi pagrindines aukščiau pateiktas lygtis, gaunama:

Šie santykiai yra žinomi kaipKulono dėsnis​.

Jei kiekvienas taškinis krūvis sukuria savo elektrinį lauką, ar įmanoma turėti vienodą elektrinį lauką, t. Y. Tokį, kurio dydis ir kryptisEyra tas pats? Dėl priežasčių, kurias pamatysite, norint, kad dipolio grynoji jėga būtų lygi nuliui, reikia vienodo lauko.

Dėjus dvi be galo dideles laidžiąsias plokštes lygiagrečiai viena kitai ir tarp jų uždėjus izoliacinę medžiagą arba dielektrinę medžiagą, galima elektrinis laukas, kuris turi atsirasti, jei tarp jų nustatoma įtampa (elektrinio potencialo skirtumas), pavyzdžiui, kai skirtingos plokštės pritvirtintos prie a baterija.

Šis susitarimas yra apytikslis gaminantkondensatoriai, kurie kaupia elektros krūvį grandinėse. Elektrinio lauko linijos yra statmenos plokštėms ir nukreiptos neigiamos plokštės link. Bet kaip pirmiausia prasideda krūviai ant šių vienetų paviršių?

Laidininkų viduje negali būti grynųjų elektrinių laukų. Taip yra todėl, kad jei elektronai gali laisvai judėti, jie tai padarys tol, kol bus pusiausvyroje, kur visų jėgų ir sukimo momentų suma lygi nuliui, o kadangi F = qE,Eturi būti nulis. Kitaip tariant, laisvųjų elektronų judėjimas laidininku sunaikina bet kokį elektrinį lauką, kuris egzistuotų jį „išlyginant“ per poslinkį elektronuose.

Izoliatorių padėtis yra visiškai kitokia. Visi atomai susideda iš teigiamai įkrauto branduolio, kurį supa elektronų debesis. Esant išoriniam elektriniam laukui (galbūt dėl ​​to, kad yra įkrautas objektas), elektronų debesys gali pasislinkti, todėl susidarodipolio momentasir grynoji elektros jėga.

Nors izoliatoriuje nėra jokio grynojo krūvio, jei imama bet kokia jo dalis, dipolio momentų buvimas lemia grynojo teigiamo krūvio kaupimąsi vienoje mėginio pusėje ir grynojo neigiamo krūvio kitoje pusėje. Tačiau krūviai iš tikrųjų nesikaupia ant paviršiaus, kaip ir laidininkų, dėl riboto elektronų judėjimo šiose medžiagose.

Poliarizacija įvyksta, kai neutraliai įkrauto objekto elektronai keičia savo vidutinę padėtį, palyginti su protonų, todėl molekulėje susidaro du elektronų „klasteriai“ (lokalizuoto padidėjusio elektronų tankio plotai) ir dipolis. momentas. Du kaltinimai yraqvienodo dydžio ir priešingo ženklo. Molekuliniame dipolyje poliarizacijos mastą lemia medžiagos jautrumas elektrai.p= qd= a dipolio momentasviengungisdipolis dielektrinėje medžiagoje.

Norėdami suvokti elektrinio lauko poveikįEIzoliatoriaus viduje apsvarstykite medžiagą, kurios dipolio tūrio tankis yraNįkrovos dipoliai tūrio vienetui. Dabar svarstote daugybę gretimų dipolių, kurių kiekvienos dipolio viename gale yra nedidelis teigiamas krūvis, o kitame - nedidelis neigiamas krūvis. (Tai lemiadipolis-dipolisatrakcijos tarp + ir - krūvių dipoliuose nuo galo iki galo.)

Dielektrinės poliarizacijos tankisPapibūdina dipolių koncentraciją medžiagoje dėl elektrinio lauko įtakos joje:P= Np= Nqd.​

​Pyra proporcinga elektrinio lauko stiprumui, kaip ir galima tikėtis. Šiuos santykius suteikiaP​ = ε₀χ₀​E, kur ε₀ yra elektrinė konstanta ir χ₀ yra elektrinis imlumas.

Kai kurios molekulės jau yra natūraliai poliarizuotos. Tai vadinama polinėmis molekulėmis. Polinės molekulės pavyzdys yra vanduo, susidedantis iš dviejų vandenilio atomų, sujungtų su vienu deguonies atomu. H₂Pati O molekulė yra simetriška tuo, kad ją galima padalyti į lygias puses plokštuma, išdėstyta tarp jų teisingoje orientacijoje.

Ryšiai tarp vandenilio atomų ir deguonies atomų toje pačioje molekulėje yra kovalentiniai ryšiai, tačiau tietarp šių atomų skirtingose ​​vandens molekulėseyra vadinamivandenilio jungtys. Elektronai, pasidaliję kovalentinėmis jungtimis tarp vandenilio ir deguonies, yra daug arčiau deguonies atomo, todėl deguonies atomas yra H₂O elektronegatyvas ir vandenilio atomai yra teigiami. Taigi susidaręs vandenilio ryšys tarp gretimų molekulių yra molekulių poliškumo, sklindančio per visą vandens mėginį, pasekmė.

Jei laikote įkrautą daiktą šalia plonos vandens srovės iš maišytuvo (kuris yra laidininkas tik dėl jonų ir kitų priemaišų buvimas), galite pamatyti, kaip vandens srovė dėl to šiek tiek juda link objekto šis poveikis. Taip yra todėl, kad molekulės orientuojasi taip, kad priešingos įkrovos molekulės galas būtų nukreiptas į įkrautą objektą.

Krūvio atskyrimo reiškinys laidininkuose vyksta šiek tiek kitaip nei dielektrikuose. Vietoj to, kad molekulės taptų dipolėmis, skatinami laisvi elektronai judėti į vieną medžiagos pusę.

Stiklinė lazdelė, kuri yra izoliatorius, gali surinkti laisvus elektronus ir įkrauti, jei perbraukiama ant paviršiaus, pavyzdžiui, vilnos. (Tai yra kitos rūšies mokesčio perdavimo pavyzdys,kontiesioginis kontaktas.) Jei neigiamai įkrautas strypas priartinamas prie rutulioelektroskopasjo neliesdami, elektronai bus „atstumti“ ir jie laisvai judės palei laidžius kamuolio paviršius link viduje kabančių aliuminio lapų poros. Pamatysite, kaip lapai atstumia vienas kitą.

Atkreipkite dėmesį, kad elektroskopas vis tiek iš viso yra elektriškai neutralus, tačiau krūvis pasiskirsto skirtingai. Elektronų „bėgimas“ link lapų viduje yra subalansuotas nusistovėjus teigiamiems krūviams, kai strypas yra arti sferos.

Jei iš tikrųjų būtumpaliestiįkrautą strypą į rutulį, elektronai bus perduodami iš strypo dėl netoliese esančių teigiamų krūvių. Kai atitraukite strypą, elektroskopas liks įkrautas, tačiau neigiami krūviai pasiskirstys tolygiai visame rutulyje.

Dabar jūs galite susidėlioti visa tai ir stebėti, kas atsitinka, kai pastatote įkrautą strypą arti laidininko, kuris galitaip patbūti susietam su kažkuo kitu. (Prikėlus įkrautą strypą arti laidžiosios sferos, ją trūktelėjus, kad pačios sferos elektronai „šoktų“, po kurio laiko gali nusibosti.)

Tarkime, kad turite įkrautą izoliacinę lazdelę ir priartinate ją prie kietos laidžios sferos, sujungtos su žeme izoliaciniu stulpeliu. Nors ankstesniuose skyriuose dipoliai buvo aprašyti atskirų dielektrikų molekulių požiūriu, tas pats reiškinys induktyviai yra „masiškai“ sukeltas laidininke. Jei laidininkas yra rutulys (rutulys), laidininko elektronai tekės į pusrutulio paviršių priešais strypo galą.

Įsivaizduokite, kas nutiks, jei draugas, laikydamas meškerykotį iš viršaus, pritvirtinsite antrą, taip pat neutralų laidų kamuolį prieš pirmąjį, tiesiai priešais lazdele. Ten susirinkę elektronai pasinaudos galimybe dar labiau nutolti nuo strypo ir jo atstumiančių elektronų ir pereis į tolimąjątaisfera.

Dabar galite būti kūrybingi. Jei norite, kad antrasis kamuolys liktų įkrautas, tiesiog ištraukite du kamuoliukuskol meškerė vis dar yra vietoje(taigi „atitraukia“ teigiamus krūvius). Elektronai iš strypo bus perkelti į antrąją sferą, kur jie tolygiai pasiskirstys po jos paviršių. Pirmasis kamuolys grįžta į pradinę neutralią ir vienodą būseną.

• Nesimetriški objektai žaidžia pagal tas pačias fizines taisykles, tačiau išsiaiškinti „tikslų“ elektronų elgesį nėra taip paprasta, kaip sferų atveju.

Ar kada susimąstėte apie kąįžeminimo laidaiar kaip jie veikia? Žemė laikoma elektra neutralia, tačiau ji yra pakankamai plati, kad absorbuotų atsakingus vietinius trikdžius be pasekmių. Dėl to Žemė gali veikti kaip didžiulis rezervuaras arba įkrovos buferis, tiekdamas elektronus, jei reikia, įžeminimo laidais į neutralizuoti teigiamai įkrautus daiktus arba priimti juos iš neigiamai įkrautų daiktų per priešingą laidą kryptis.

Taigi, norint išvengti nepageidaujamos įtampos dėl to, kad dideli netiesioginiai krūviai kaupiasi ant didelių laidžių daiktų, įžeminimo laidai siūlo saugumo funkciją labai elektriniame šiuolaikiniame pasaulyje.