Polarisatie en elektrische inductie: wat is het en hoe werkt het? (met voorbeelden)

Zelfs als je nieuw bent in de discipline in de natuurwetenschap die bekend staat als elektromagnetisme, weet je waarschijnlijk dat gelijke ladingen afstoten en tegengestelde ladingen aantrekken; dat wil zeggen, een positieve lading zal worden aangetrokken door een negatieve lading, maar zal de neiging hebben een andere positieve lading af te stoten, waarbij dezelfde eenvoudige regel omgekeerd geldt. (Dit is de basis van het alledaagse gezegde "tegengestelden trekken elkaar aan"; of dit waar is in romantiek is misschien een open vraag, maar het is zeker het geval als het gaat om elektrische ladingen op atomen en moleculen.)

U weet echter misschien niet dat het mogelijk is dat een geladen object wordt aangetrokken door een neutraal object, dat wil zeggen een object zonder nettolading. Dit is mogelijk door het fenomeen vanlading polarisatie, wat verklaart waarom moleculen die in het algemeen elektrisch neutraal zijn, een asymmetrische ladingsverdeling kunnen hebben. Ter vergelijking: een stad kan evenveel inwoners onder de 40 als boven de 40 hebben, maar hun verdeling binnen de stadsgrenzen is vrijwel zeker asymmetrisch.

• ​Moleculenzijn verzamelingen van twee of meer atomen die de kleinste chemische eenheid van een bepaalde verbinding vertegenwoordigen; deze atomen kunnen hetzelfde element voorstellen, zoals zuurstofgas (O₂), of meerdere elementen bevatten, zoals bij koolstofdioxide (CO₂).

De overdracht van elektrische lading doorinductie– betekenis zonder directe aanraking van de objecten die ladingen uitwisselen in de vorm van vrije elektronen – draait om de strategische plaatsing van geleiders, dit zijn materialen waardoor stroom gemakkelijk kan stromen, en isolatoren, dit zijn materialen waardoor stroom niet kan stromen. Maar meer dan dat, het vertrouwt op de polarisatie van hele objecten die voortkomen uit de polarisatie van hun samenstellende moleculen, die kan worden gemoduleerd met behulp van een elektrisch veld.

Net zoals de lineaire en rotatievergelijkingen van beweging analoog zijn aan elkaar, is de wiskunde die ten grondslag ligt aan de effecten van eenelektrisch veld​ ​Ehandelend op puntladingen lijkt sterk op het beschrijven van de effecten van een zwaartekrachtveld dat inwerkt op puntmassa's. De kracht van een elektrisch veld wordt gegeven door

• De elektrische veldvector wijst in dezelfde richting als de elektrische krachtvector wanneerqis positief. de eenheden vanEzijn newton per coulomb (N/C).

Puntladingen brengen hun eigen elektrische velden tot stand. (Vergeet niet dat "puntladingen" elke grootte kunnen hebben en toch niet kunnen worden opgevat als een volume innemend.) De uitdrukking hiervoor is:

waarkis de constante 9 × 10⁹ Nm²/C² enris de verplaatsing (afstand en richting) tussen de lading en elk punt waarop het veld wordt beoordeeld. Het combineren van de twee hoofdvergelijkingen hierboven geeft:

Deze relatie staat bekend als:Wet van Coulombmb​.

Als elke puntlading zijn eigen elektrisch veld tot stand brengt, is het dan mogelijk om een ​​uniform elektrisch veld te hebben, dat wil zeggen een veld waarin de grootte en richting vanEis hetzelfde? Om redenen die u zult zien, is een uniform veld vereist om de nettokracht op een dipool nul te laten zijn.

Door twee oneindig grote geleidende platen evenwijdig aan elkaar te plaatsen en daartussen een isolerend materiaal of diëlektrisch materiaal te plaatsen, is een elektrisch veld dat moet worden gegenereerd als er een spanning (elektrisch potentiaalverschil) tussen hen ontstaat, zoals wanneer de verschillende platen zijn bevestigd aan een accu.

Deze opstelling wordt benaderd bij de vervaardiging van:condensatoren, die elektrische lading in circuits opslaan. De elektrische veldlijnen staan ​​loodrecht op de platen en wijzen naar de negatieve plaat. Maar hoe worden ladingen opgebouwd op de oppervlakken van deze eenheden om mee te beginnen?

Netto elektrische velden kunnen niet bestaan ​​in geleiders. Dit komt omdat, als elektronen vrij kunnen bewegen, ze dat zullen doen totdat ze in evenwicht zijn, waar de som van alle krachten en koppels nul is, en aangezien F = qE,Emoet nul zijn. Met andere woorden, de beweging van vrije elektronen in een geleider vernietigt elk elektrisch veld dat zou bestaan ​​door het "te nivelleren" via een verschuiving in elektronen.

De situatie binnen isolatoren is heel anders. Alle atomen bestaan ​​uit een positief geladen kern omgeven door een elektronenwolk. In aanwezigheid van een extern elektrisch veld (misschien veroorzaakt door de aanwezigheid van een geladen object), kunnen de elektronenwolken verschuiven, wat resulteert in eendipool momenten een netto elektrische kracht.

Hoewel er geen nettolading is in een isolator, als een deel ervan wordt bemonsterd, is de aanwezigheid van dipoolmomenten leidt tot de accumulatie van netto positieve lading aan de ene kant van het monster en een netto negatieve lading aan de andere kant. Maar ladingen stapelen zich niet echt op aan het oppervlak, zoals bij geleiders, vanwege de beperkte beweging van elektronen in deze materialen.

Polarisatie treedt op wanneer de elektronen in een neutraal geladen object hun gemiddelde positie verschuiven ten opzichte van de protonen, wat resulteert in twee "clusters" van elektronen (gebieden met gelokaliseerde verhoogde elektronendichtheid) per molecuul en een dipool moment. De twee kosten zijn:qgelijk in grootte en tegengesteld in teken. In een moleculaire dipool wordt de mate van polarisatie bepaald door de elektrische gevoeligheid van het materiaal.p= qd= het dipoolmoment van avrijgezeldipool in een diëlektrisch materiaal.

Om een ​​idee te krijgen van het effect van het elektrische veldEbinnen de isolator als geheel, overweeg een materiaal met een dipoolvolumedichtheid vanneeladingsdipolen per volume-eenheid. Je denkt nu aan een groot aantal aangrenzende dipolen, met een lichte positieve lading aan het ene uiteinde van elke dipool en een lichte negatieve lading aan het andere uiteinde. (Dit resulteert indipool-dipoolattracties tussen + en – ladingen in end-to-end dipolen.)

De diëlektrische polarisatiedichtheid:Pkarakteriseert de concentratie van dipolen in het materiaal als gevolg van de invloed van het elektrische veld erin:P= Neep= Nqd.​

​Pis evenredig met de sterkte van het elektrische veld, zoals je zou verwachten. Deze relatie wordt gegeven doorP​ = ε₀χ₀​E, waar₀ is de elektrische constante en χ₀ is de elektrische gevoeligheid.

Sommige moleculen zijn van nature al gepolariseerd. Dit worden polaire moleculen genoemd. Een voorbeeld van een polair molecuul is water, dat bestaat uit twee waterstofatomen gebonden aan een enkel zuurstofatoom. De H₂O-molecuul zelf is symmetrisch omdat het in gelijke helften kan worden verdeeld door een vlak ertussen in de juiste oriëntatie.

De bindingen tussen waterstofatomen en zuurstofatomen binnen hetzelfde molecuul zijn covalente bindingen, maar dietussen deze atomen in verschillende watermoleculenworden genoemdwaterstofbruggen. De elektronen die worden gedeeld in covalente bindingen tussen waterstof en zuurstof liggen veel dichter bij het zuurstofatoom, waardoor het zuurstofatoom in H₂O elektronegatief en de waterstofatomen elektropositief. De resulterende vorming van waterstofbruggen tussen aangrenzende moleculen is dus een gevolg van de polariteit van moleculen, die zich door het gehele watermonster voortplant.

Als u een geladen voorwerp in de buurt van een dunne stroom water uit een kraan houdt (die alleen geleidt door de aanwezigheid van ionen en andere onzuiverheden), kun je de waterstroom heel licht naar het object zien bewegen als gevolg van: dit effect. Dit komt omdat de moleculen zich zo oriënteren dat het uiteinde van het molecuul met de tegenovergestelde lading naar het geladen object wijst.

Het fenomeen ladingsscheiding gebeurt iets anders in geleiders dan in diëlektrica. In plaats van dat moleculen dipolen worden, worden vrije elektronen geïnduceerd om naar één kant van het materiaal te bewegen.

Een glazen staaf, die een isolator is, kan vrije elektronen verzamelen en geladen worden als deze over een oppervlak zoals wol wordt geveegd. (Dit is een voorbeeld van de andere vorm van overdracht van kosten,conductie of direct contact.) Als een negatief geladen staaf in de buurt van de bal van eenelektroscoopzonder het aan te raken, worden elektronen "weggeduwd", en ze zullen vrijelijk langs de geleidende oppervlakken van de bal bewegen naar het paar aluminium bladeren dat erin hangt. Je zult zien dat de bladeren elkaar afstoten.

Merk op dat de elektroscoop in totaal nog steeds elektrisch neutraal is, maar de lading is anders verdeeld. Het "vluchten" van de elektronen naar de bladeren binnenin wordt gecompenseerd door het neerslaan van positieve ladingen waar de staaf zich dicht bij de bol bevindt.

Als je eigenlijk zouaanrakende geladen staaf naar de bal, elektronen worden overgedragen van de staaf vanwege de positieve ladingen in de buurt. Wanneer je de staaf wegtrekt, blijft de elektroscoop geladen, maar de negatieve ladingen zullen zich gelijkmatig over de bal verdelen.

Nu ben je in een positie om dit allemaal samen te voegen en te observeren wat er gebeurt als je een geladen staaf dicht bij een geleider plaatst die mogelijkookverbonden zijn met iets anders. (Een geladen staaf dicht bij een geleidende bol brengen en deze wegtrekken om de eigen elektronen van de bol als reactie daarop te laten "dansen", kan na een tijdje saai worden.)

Stel dat je een geladen isolerende staaf hebt en je brengt deze dicht bij een stevige geleidende bol die door een isolerende paal met de grond is verbonden. Hoewel eerdere secties dipolen hebben beschreven in termen van individuele moleculen in diëlektrica, wordt hetzelfde fenomeen "en masse" in een geleider geïnduceerd via inductie. Als de geleider een bol (bal) is, zullen de elektronen van de geleider naar het oppervlak van de halve bol tegenover de punt van de staaf stromen.

Stel je voor wat er gebeurt als, terwijl een vriend de hengel van bovenaf op zijn plaats houdt, je een tweede, eveneens neutraal geleidende bal tegen de eerste schuift, recht tegenover de plaatsing van de hengel. De daar verzamelde elektronen zullen de kans grijpen om nog verder weg te komen van de staaf en zijn afstotende elektronen, en zullen naar de andere kant van deditgebied.

Nu kunt u creatief worden. Als je wilt dat de tweede bal geladen blijft, trek je gewoon de twee ballen uit elkaarterwijl de staaf nog op zijn plaats zit(en dus "afleidende" positieve ladingen). Elektronen zullen uiteindelijk van de staaf naar de tweede bol zijn overgebracht, waar ze zich gelijkmatig over het oppervlak verdelen. De eerste bal keert terug naar zijn oorspronkelijke neutrale en uniforme staat.

• Niet-symmetrische objecten spelen volgens dezelfde fysieke regels, maar het is niet zo eenvoudig om het "exacte" gedrag van elektronen te achterhalen als in het geval van bollen.

Heb je ooit nagedacht over wat?aarddradendoen, of hoe ze werken? De aarde wordt als elektrisch neutraal beschouwd, maar is groot genoeg om lokale verstoringen zonder gevolgen op te vangen. Hierdoor kan de aarde fungeren als een enorm reservoir of laadbuffer, en zo nodig elektronen leveren via aarddraden om neutraliseer positief geladen objecten, of accepteer ze van negatief geladen objecten via de draad in het tegenovergestelde; richting.

Dus om ongewenste spanning te voorkomen dankzij de aanzienlijke accumulatie van nettoladingen op grote geleidende objecten, bieden aarddraden een veiligheidsfunctie in een zeer elektrische moderne wereld.