Pat ja jūs esat jauns fizikas zinātnes disciplīnā, kas pazīstams kā elektromagnētisms, jūs, iespējams, apzināties, ka līdzīgi lādiņi atvaira un pretēji lādiņi piesaista; tas ir, pozitīvs lādiņš tiks piesaistīts negatīvam lādiņam, bet tam būs tendence atvairīt vēl vienu pozitīvu lādiņu, ar to pašu vienkāršo likumu turoties pretēji. (Tas ir ikdienas teiciena "pretstati piesaista" pamats; vai tas ir taisnība romantikā, iespējams, ir atklāts jautājums, bet tas noteikti attiecas uz atomu un molekulu elektriskajiem lādiņiem.)
Jūs, iespējams, nezināt, ka uzlādētu objektu ir iespējams piesaistīt neitrālam objektam, tas ir, objektam bez neto lādiņa. Tas ir iespējams, izmantojot fenomenulādiņa polarizācija, kas izskaidro to, ka molekulām, kas kopumā ir elektriski neitrālas, tajās var būt asimetrisks lādiņu sadalījums. Pēc analoģijas pilsētā var būt vienāds skaits iedzīvotāju vecumā līdz 40 gadiem un vairāk nekā 40 gadu vecums, taču to izplatība pilsētas robežās gandrīz noteikti ir asimetriska.
- Molekulasir divu vai vairāku atomu kolekcijas, kas pārstāv konkrētā savienojuma mazāko ķīmisko vienību; šie atomi var pārstāvēt to pašu elementu, piemēram, skābekļa gāzi (O2) vai ietver vairākus elementus, tāpat kā ar oglekļa dioksīdu (CO2).
Elektriskā lādiņa nodošanaindukcija- nozīme bez tieša pieskāriena objektiem, kuri apmaina lādiņus brīvo elektronu formā - griežas ap stratēģisko vadītāju, kas ir materiāli, caur kuriem strāva viegli plūst, un izolatoru, kas ir materiāli, caur kuriem strāva nevar, izvietošana plūsma. Bet vairāk nekā tas balstās uz visu objektu polarizāciju, kas izriet no to sastāvdaļu molekulu polarizācijas, ko var modulēt, izmantojot elektrisko lauku.
Punktu lādiņi un elektriskie lauki
Līdzīgi tam, kā kustības lineārie un rotācijas vienādojumi ir analogi viens otram, matemātika, kas ir an seku pamatāelektriskais lauks Eiedarbojoties uz punktu lādiņiem, stipri atgādina to, kas raksturo gravitācijas lauka iedarbību uz punktu masām. Elektriskā lauka spēku dod
F_E = qE
- Elektriskā lauka vektors norāda tajā pašā virzienā kā elektriskā spēka vektors, kadqir pozitīvs. VienībasEir ņūtoni kulonā (N / C).
Punktu lādiņi nosaka paši savus elektriskos laukus. (Atcerieties, ka "punktu" lādiņiem var būt jebkura lieluma un tos joprojām nevar uzskatīt par tādiem, kas aizņem kādu apjomu.) Tas ir šāds:
E = \ frac {kq} {r ^ 2}
kurkir konstante 9 × 109 Nm2/ C2 unrir pārvietojums (attālums un virziens) starp lādiņu un jebkuru punktu, kurā novērtē lauku. Apvienojot divus iepriekš minētos vienādojumus, iegūstam:
F_E = \ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}
Šīs attiecības ir pazīstamas kāKulombas likums.
Vienoti elektriskie lauki un polarizācija
Ja katrs punktveida lādiņš izveido savu elektrisko lauku, vai ir iespējams iegūt vienotu elektrisko lauku, tas ir, tādu, kurā lielums un virziensEir tāds pats? Redzamu iemeslu dēļ, lai dipola tīrais spēks būtu nulle, ir nepieciešams vienots lauks.
Divas bezgalīgi lielas vadošās plāksnes novietojot paralēli viena otrai un ievietojot starp tām izolācijas materiālu vai dielektrisko materiālu, elektriskais lauks, kas rodas, ja starp tiem tiek noteikts spriegums (elektriskā potenciāla starpība), piemēram, kad dažādas plāksnes ir piestiprinātas pie a akumulatoru.
Šī vienošanās ir aptuvenakondensatori, kas elektrisko lādiņu glabā ķēdēs. Elektriskā lauka līnijas ir perpendikulāras plāksnēm un vērstas pret negatīvo plāksni. Bet kā vispirms sākas uzlādes uz šo vienību virsmām?
Izolatora polarizācija
Tīrie elektriskie lauki vadītāju iekšienē nevar pastāvēt. Tas ir tāpēc, ka, ja elektroni var brīvi pārvietoties, viņi to darīs, līdz nonāks līdzsvara stāvoklī, kur visu spēku un griezes momentu summa ir nulle, un, tā kā F = qE,Ejābūt nullei. Citiem vārdiem sakot, brīvo elektronu kustība vadītājā iznīcina jebkuru elektrisko lauku, kas pastāvētu, "izlīdzinot to" ar elektronu nobīdi.
Izolatoru iekšienē situācija ir diezgan atšķirīga. Visi atomi sastāv no pozitīvi uzlādēta kodola, ko ieskauj elektronu mākonis. Ārēja elektriskā lauka klātbūtnē (iespējams, to izraisa uzlādēta objekta klātbūtne) elektronu mākoņi var mainīties, kā rezultātādipola momentsun tīrais elektriskais spēks.
Lai gan izolatorā nav neto lādiņa, ja tiek ņemta kāda tā daļa, dipola momentu klātbūtne noved pie tīrā pozitīvā lādiņa uzkrāšanās vienā parauga pusē un neto negatīvā lādiņa otrā pusē pusē. Bet lādiņi faktiski neuzkrājas uz virsmas, tāpat kā vadītājiem, jo šajos materiālos ir ierobežota elektronu kustība.
Polarizācijas definīcija
Polarizācija notiek, kad neitrāli uzlādēta objekta elektroni maina savu vidējo stāvokli attiecībā pret protonu, kā rezultātā vienā molekulā izveidojas divas elektronu (lokalizēta palielināta elektronu blīvuma zonas) "kopas" un dipols brīdi. Abas apsūdzības irqpēc lieluma ir vienāds un pretējs. Molekulārā dipolā polarizācijas pakāpi nosaka materiāla elektriskā uzņēmība.lpp= qd= a dipola momentsviensdipols dielektriskā materiālā.
Lai iegūtu priekšstatu par elektriskā lauka iedarbībuEizolatora iekšpusē apsveriet materiālu, kura dipola tilpuma blīvums irNmaksas dipoli uz tilpuma vienību. Jūs tagad apsverat lielu skaitu blakus esošo dipolu, ar nelielu pozitīvu lādiņu katra dipola vienā galā un nelielu negatīvu lādiņu otrā galā. (Tā rezultātādipols-dipolsatrakcijas starp + un - lādiņiem gala līdz gala dipolēs.)
Dielektriskās polarizācijas blīvumsPraksturo dipolu koncentrāciju materiālā elektriskā lauka ietekmes rezultātā tajā:P= Nlpp= Nqd.
Pir proporcionāls elektriskā lauka stiprumam, kā jūs varētu sagaidīt. Šīs attiecības dodP = ε0χ0E, kur ε0 ir elektriskā konstante un χ0 ir elektriskā uzņēmība.
Polārās molekulas
Dažas molekulas jau ir dabiski polarizētas. Tās sauc par polārām molekulām. Polārās molekulas piemērs ir ūdens, kas sastāv no diviem ūdeņraža atomiem, kas saistīti ar vienu skābekļa atomu. H2O molekula pati par sevi ir simetriska, jo to var sadalīt vienādās pusēs ar plakni, kas novietota starp tām pareizajā orientācijā.
Saites starp ūdeņraža atomiem un skābekļa atomiem vienā molekulā ir kovalentās saites, bet tāsstarp šiem atomiem dažādās ūdens molekulāstiek sauktiūdeņraža saites. Elektroni, kas ir kopīgi kovalentās saitēs starp ūdeņradi un skābekli, atrodas daudz tuvāk skābekļa atomam, padarot skābekļa atomu H2O elektronegatīvs un ūdeņraža atomi elektropozitīvi. Rezultātā radušās ūdeņraža saites starp blakus esošajām molekulām tādējādi ir molekulu polaritātes sekas, kas izplatās pa visu ūdens paraugu.
Ja jūs turat uzlādētu priekšmetu netālu no plānas ūdens plūsmas no jaucējkrāna (kas ir vadītājs, pateicoties tikai (piem., jonu un citu piemaisījumu klātbūtne), jūs varat redzēt, kā ūdens straume tik viegli virzās objekta virzienā šo efektu. Tas notiek tāpēc, ka molekulas orientējas tā, ka molekulas gals ar pretēju lādiņu norāda uz uzlādēto objektu.
Elektriskā indukcija
Lādiņu atdalīšanas parādība vadītājos notiek nedaudz savādāk nekā dielektriķos. Tā vietā, lai molekulas kļūtu par dipoliem, tiek ierosināti brīvie elektroni pārvietoties uz vienu materiāla pusi.
Stikla stienis, kas ir izolators, var savākt brīvos elektronus un kļūt uzlādēts, ja to pārvelk pa virsmu, piemēram, vilnu. (Šis ir cita veida maksas pārskaitījuma piemērs,konvai tiešu kontaktu.) Ja negatīvi lādēts stienis tiek piegādāts pie bumbaselektroskopsnepieskaroties tam, elektroni tiks "izstumti", un tie brīvi pārvietosies pa lodītes vadošajām virsmām pretī iekšpusē karājošam alumīnija lapu pārim. Jūs redzēsiet, kā lapas viens otru atgrūž.
Ņemiet vērā, ka elektroskops kopumā joprojām ir elektriski neitrāls, bet lādiņš tiek sadalīts atšķirīgi. Elektronu "bēgšana" pret iekšpusē esošajām lapām ir līdzsvarota ar pozitīvo lādiņu nosēšanos tur, kur stienis ir tuvu sfērai.
Ja jūs patiešām to darītupieskartiesuzlādēto stieni uz bumbu, elektroni tiks pārnesti no stieņa tuvumā esošo pozitīvo lādiņu dēļ. Pavelkot stieni prom, elektroskops paliks uzlādēts, bet negatīvie lādiņi vienmērīgi sadalīsies pa visu bumbu.
Indukcijas piemēri
Tagad jūs varat salikt to visu kopā un novērot, kas notiek, novietojot uzlādētu stieni tuvu vadītājam, kas vararījābūt savienotam ar kaut ko citu. (Lādēta stieņa tuvināšana vadošai sfērai un raušana prom, lai pašas sfēras elektroni "dejotu", reaģējot, pēc kāda laika var kļūt garlaicīgi.)
Pieņemsim, ka jums ir uzlādēts izolācijas stienis, un jūs to tuvojat cietai vadošai sfērai, kas savienota ar zemi ar izolācijas stabu. Lai gan iepriekšējās sadaļās dipoli ir aprakstīti atsevišķu molekulu izteiksmē dielektriķos, viena un tā pati parādība tiek induktīva "vadītājā" ar indukcijas palīdzību. Ja vadītājs ir sfēra (bumba), vadītāja elektroni ieplūdīs puslodes virsmā pretī stieņa galam.
Dvīņu sfēras
Iedomājieties, kas notiek, ja, kamēr draugs tur stieni no augšas vietā, jūs nobīdīsit otru, arī neitrālu vadošu bumbu pret pirmo, tieši pretī stieņa novietojumam. Tur savāktie elektroni izmantos iespēju nokļūt vēl tālāk no stieņa un tā atbaidošajiem elektroniem un pārvietosies uz tālajām malām.šosfēra.
Tagad jūs varat būt radošs. Ja vēlaties, lai otrā bumba paliktu uzlādēta, vienkārši izvelciet abas bumbaskamēr makšķere vēl atrodas(un tādējādi "novērš uzmanību" no pozitīvajiem lādiņiem). Elektroni no stieņa galu galā tiks pārvietoti uz otro sfēru, kur tie vienmērīgi sadalās pa tās virsmu. Pirmā bumba atgriežas sākotnējā neitrālā un vienveidīgā stāvoklī.
- Nesimetriski priekšmeti spēlē pēc vieniem un tiem pašiem fiziskiem noteikumiem, taču nav tik viegli noskaidrot elektronu "precīzo" uzvedību kā sfēru gadījumā.
Zemes vadi
Vai esat kādreiz domājuši par kozemējuma vadivai kā viņi strādā? Zeme tiek uzskatīta par elektriski neitrālu, taču tā ir pietiekami plaša, lai bez sekām absorbētu atbildīgos lokālos traucējumus. Tādēļ Zeme var darboties kā plašs rezervuārs vai lādēšanas buferis, pēc nepieciešamības piegādājot elektronus caur zemes vadiem neitralizē pozitīvi lādētos objektus vai pieņem tos no negatīvi lādētiem objektiem pa pretējo vadu virzienu.
Tātad, lai novērstu nevēlamu spriegumu, pateicoties ievērojamai neto lādiņu uzkrāšanai uz lieliem elektrovadošiem objektiem, iezemētie vadi piedāvā drošības funkciju ļoti elektriskā mūsdienu pasaulē.