Polarisering og elektrisk induksjon: Hva er det og hvordan fungerer det? (m / eksempler)

Selv om du er ny i fagfaget kjent som elektromagnetisme, er du sannsynligvis klar over at lignende ladninger frastøter og motsatte ladninger tiltrekker seg; det vil si at en positiv ladning vil bli tiltrukket av en negativ ladning, men vil ha en tendens til å avvise en annen positiv ladning, med den samme enkle regelen som holder i omvendt retning. (Dette er grunnlaget for det daglige ordtaket "motsetninger tiltrekker seg"; om dette er sant i romantikk, er kanskje et åpent spørsmål, men det er absolutt tilfelle når det gjelder elektriske ladninger på atomer og molekyler.)

Du vet imidlertid ikke at det er mulig for et ladet objekt å bli tiltrukket av et nøytralt objekt - det vil si et objekt uten nettolading. Dette er mulig gjennom fenomenetladepolarisering, som forklarer det faktum at molekyler som er elektrisk nøytrale generelt kan ha en asymmetrisk ladningsfordeling i seg. Som en analogi kan en by ha like mange innbyggere under 40 og over 40, men deres distribusjon innenfor byens grenser er nesten helt sikkert asymmetrisk.

• ​Molekylerer samlinger av to eller flere atomer som representerer den minste kjemiske enheten til en bestemt forbindelse; disse atomene kan representere det samme elementet, slik som oksygengass (O₂), eller inkluderer flere elementer, som med karbondioksid (CO₂).

Overføring av elektrisk ladning vedinduksjon- mening uten direkte berøring av objektene som bytter ut ladninger i form av frie elektroner - dreier seg om det strategiske plassering av ledere, som er materialer som strømmen lett strømmer gjennom, og isolatorer, som er materialer som strøm ikke kan gjennom strømme. Men mer enn det, er det avhengig av polarisering av hele objekter som stammer fra polarisasjonen av deres bestanddeler molekyler, som kan moduleres ved bruk av et elektrisk felt.

På samme måte som de lineære og rotasjonsbevegelsene er analoge med hverandre, ligger matematikken som ligger til grunn for effekten av enelektrisk felt​ ​Eå handle på punktladninger ligner sterkt det som beskriver effekten av et gravitasjonsfelt som virker på punktmasser. Kraften til et elektrisk felt er gitt av

• Den elektriske feltvektoren peker i samme retning som den elektriske kraftvektoren gjør nårqer positiv. Enhetene tilEer newton per coulomb (N / C).

Punktladninger etablerer sine egne elektriske felt. (Husk at "punkt" -ladninger kan ha hvilken som helst størrelse og fremdeles ikke oppfattes som å ta noe volum.) Uttrykket for dette er:

hvorker konstant 9 × 10⁹ Nm²/ C² ogrer forskyvningen (avstand og retning) mellom ladningen og hvilket som helst punkt felt blir vurdert på. Å kombinere de to hovedligningene ovenfor gir:

Dette forholdet er kjent somCoulombs lov​.

Hvis hver punktladning etablerer sitt eget elektriske felt, er det mulig å ha et jevnt elektrisk felt - det vil si et hvor størrelsen og retningen avEer lik? Av grunner du ser, kreves et jevnt felt for at nettokraften på en dipol skal være null.

Å plassere to uendelig store ledende plater parallelt med hverandre og plassere et isolerende materiale, eller dielektrisk materiale, mellom dem muliggjør elektrisk felt som skal genereres hvis det opprettes en spenning (elektrisk potensialforskjell) mellom dem, for eksempel når de forskjellige platene er festet til en batteri.

Denne ordningen er tilnærmet ved fremstilling avkondensatorer, som lagrer elektrisk ladning i kretser. De elektriske feltlinjene er vinkelrett på platene og peker mot den negative platen. Men hvordan bygger ladninger seg opp på overflaten til disse enhetene til å begynne med?

Netto elektriske felt kan ikke eksistere inne i ledere. Dette er fordi, hvis elektroner er frie til å bevege seg, vil de gjøre det til de er i likevekt, hvor summen av alle krefter og dreiemomenter er null, og siden F = qE,Emå være null. Med andre ord, bevegelsen av frie elektroner i en leder utsletter ethvert elektrisk felt som ville eksistere ved å "utjevne det" via et elektronskifte.

Situasjonen i isolatorer er ganske annerledes. Alle atomer består av en positivt ladet kjerne omgitt av en elektronsky. I nærvær av et eksternt elektrisk felt (kanskje forårsaket av tilstedeværelsen av et ladet objekt), kan elektronskyene skifte, noe som resulterer i endipol øyeblikkog en netto elektrisk kraft.

Selv om det ikke er nettolading i en isolator, hvis noen del av den blir prøvetatt, tilstedeværelsen av dipolmomenter fører til akkumulering av netto positiv ladning på den ene siden av prøven og en netto negativ ladning på den andre side. Men ladninger akkumuleres faktisk ikke på overflaten, som med ledere, på grunn av den begrensede bevegelsen av elektroner i disse materialene.

Polarisering skjer når elektronene i et nøytralt ladet objekt skifter gjennomsnittlig posisjon i forhold til protoner, noe som resulterer i to "klynger" av elektroner (områder med lokalisert økt elektrontetthet) per molekyl og en dipol øyeblikk. De to anklagene erqlik i størrelse og motsatt i tegn. I en molekylær dipol bestemmes polarisasjonsgraden av materialets elektriske følsomhet.s= qd= dipolmomentet til aenkeltdipol i et dielektrisk materiale.

For å få en følelse av effekten av det elektriske feltetEinne i isolatoren som helhet, vurder et materiale med en dipolvolumtetthet påNlade dipoler per volumsenhet. Du vurderer nå et stort antall tilstøtende dipoler, med en liten positiv ladning i den ene enden av hver dipol og en liten negativ ladning i den andre enden. (Dette resulterer idipol-dipolattraksjoner mellom + og - ladninger i ende-til-ende dipoler.)

Den dielektriske polarisasjonstetthetenPkarakteriserer konsentrasjonen av dipoler i materialet som et resultat av påvirkning av det elektriske feltet i det:P= Ns= Nqd.​

​Per proporsjonal med styrken til det elektriske feltet, slik du forventer. Dette forholdet er gitt avP​ = ε₀χ₀​Ehvor ε₀ er den elektriske konstanten og χ₀ er den elektriske følsomheten.

Noen molekyler er allerede naturlig polariserte. Disse kalles polare molekyler. Et eksempel på polar molekyl er vann, som består av to hydrogenatomer bundet til et enkelt oksygenatom. H₂Selve O-molekylet er symmetrisk ved at det kan deles i like halvdeler av et plan plassert mellom dem i riktig retning.

Bindinger mellom hydrogenatomer og oksygenatomer i samme molekyl er kovalente bindinger, men demellom disse atomene i forskjellige vannmolekylerer kalthydrogenbindinger. Elektronene som er delt i kovalente bindinger mellom hydrogen og oksygen ligger mye nærmere oksygenatomet, noe som gjør oksygenatomet i H₂O elektronegative og hydrogenatomer elektropositive. Den resulterende dannelsen av hydrogenbindinger mellom tilstøtende molekyler er således en konsekvens av molekylenes polaritet, som forplanter seg gjennom hele vannprøven.

Hvis du holder en ladet gjenstand nær en tynn strøm av vann fra en kran (som er en leder som bare skyldes tilstedeværelse av ioner og andre urenheter), kan du se vannstrømmen bevege seg så litt mot objektet pga denne effekten. Dette er fordi molekylene orienterer seg slik at enden av molekylet med motsatt ladning peker mot det ladede objektet.

Fenomenet ladningsseparasjon skjer litt annerledes i ledere enn i dielektrikum. I stedet for at molekyler blir dipoler, induseres frie elektroner til å bevege seg til den ene siden av materialet.

En glassstang, som er en isolator, kan samle gratis elektroner og bli ladet hvis den sveiper over en overflate som ull. (Dette er et eksempel på en annen type overføring,lureledning, eller direkte kontakt.) Hvis en negativt ladet stang bringes nær ballen til enelektroskoputen å berøre den, vil elektroner bli "dyttet bort", og de vil bevege seg fritt langs ballens ledende overflater mot paret aluminiumsblader som henger inni. Du vil se bladene frastøte hverandre.

Merk at elektroskopet fremdeles er elektrisk nøytralt totalt, men ladningen fordeles annerledes. "Flukten" av elektronene mot bladene på innsiden balanseres ved å sette seg positive ladninger der stangen er nær kule.

Hvis du faktisk skulleta påladet stang til ballen, vil elektroner bli overført fra stangen på grunn av de positive ladningene i nærheten. Når du trekker stangen bort, vil elektroskopet forbli ladet, men de negative ladningene fordeler seg jevnt over ballen.

Nå er du i stand til å sette alt dette sammen og observere hva som skjer når du plasserer en ladet stang nær en leder som kanogsåvære koblet til noe annet. (Å bringe en ladet stang nær en ledende kule og rive den bort for å få kulens egne elektroner til å "danse" som svar, kan bli kjedelig etter en stund.)

Anta at du har en ladet isolasjonsstang, og du tar den nær en solid ledende kule som er koblet til bakken ved hjelp av en isolasjonsstolpe. Selv om tidligere seksjoner har beskrevet dipoler i form av individuelle molekyler i dielektrikum, blir det samme fenomenet indusert "en masse" i en leder via induksjon. Hvis lederen er en kule (ball), vil lederens elektroner flyte til overflaten av halvkulen motsatt tuppen av stangen.

Tenk deg hva som skjer hvis du mens en venn holder stangen ovenfra på plass, skyver en annen, også nøytral ledende ball opp mot den første, rett overfor stangplasseringen. Elektronene samlet der vil benytte anledningen til å komme enda lenger bort fra stangen og dens frastøtende elektroner, og vil bevege seg til den andre siden avdettesfære.

Nå kan du bli kreativ. Hvis du vil at den andre ballen skal forbli ladet, er det bare å trekke de to ballene fra hverandremens stangen fortsatt er på plass(og dermed "distraherende" positive ladninger). Elektroner vil til slutt ha blitt overført fra stangen til den andre sfæren, der de fordeler seg jevnt over overflaten. Den første ballen går tilbake til sin opprinnelige nøytrale og ensartede tilstand.

• Ikke-symmetriske objekter spiller etter de samme fysiske reglene, men det er ikke like lett å finne ut den "eksakte" oppførselen til elektroner som den er i tilfelle kuler.

Har du noen gang tenkt på hvajordledningergjøre, eller hvordan de fungerer? Jorden betraktes som elektrisk nøytral, men den er enorm nok til å absorbere lokale forstyrrelser med ansvar uten konsekvenser. På grunn av dette kan jorden fungere som et stort reservoar eller lade buffer, og levere elektroner etter behov gjennom jordledninger til nøytralisere positivt ladede gjenstander, eller akseptere dem fra negativt ladede gjenstander gjennom ledningen i motsatt retning retning.

Så, for å forhindre uønsket spenning takket være den store akkumuleringen av nettolading på store ledende gjenstander, tilbyr jordledninger en sikkerhetsfunksjon i en moderne elektrisk verden.