Polaryzacja i indukcja elektryczna: co to jest i jak działa? (z przykładami)

Nawet jeśli jesteś nowy w dyscyplinie nauk fizycznych znanej jako elektromagnetyzm, prawdopodobnie zdajesz sobie sprawę, że podobne ładunki odpychają się, a przeciwne przyciągają; oznacza to, że ładunek dodatni zostanie przyciągnięty do ładunku ujemnego, ale będzie miał tendencję do odpychania innego ładunku dodatniego, z tą samą prostą regułą, która obowiązuje w odwrotnej kolejności. (To podstawa codziennego powiedzenia „przeciwieństwa się przyciągają”; czy to prawda w romansach, jest być może kwestią otwartą, ale z pewnością tak jest, jeśli chodzi o ładunki elektryczne na atomach i cząsteczkach).

Możesz jednak nie wiedzieć, że naładowany obiekt może zostać przyciągnięty do obiektu neutralnego – to znaczy obiektu bez ładunku netto. Jest to możliwe dzięki zjawiskupolaryzacja ładunku, co wyjaśnia fakt, że cząsteczki, które są ogólnie obojętne elektrycznie, mogą mieć w sobie asymetryczny rozkład ładunku. Na zasadzie analogii, miasto może mieć równą liczbę mieszkańców poniżej 40 i powyżej 40 lat, ale ich rozmieszczenie w granicach miasta jest prawie na pewno asymetryczne.

• ​Molekułysą zbiorami dwóch lub więcej atomów reprezentujących najmniejszą jednostkę chemiczną danego związku; te atomy mogą reprezentować ten sam pierwiastek, taki jak gazowy tlen (O₂) lub zawierać wiele pierwiastków, jak w przypadku dwutlenku węgla (CO₂).

Przenoszenie ładunku elektrycznego przezindukcja– czyli bez bezpośredniego dotykania obiektów wymieniających ładunki w postaci swobodnych elektronów – kręci się wokół strategicznego rozmieszczenie przewodników, które są materiałami, przez które łatwo przepływa prąd, oraz izolatorami, które są materiałami, przez które prąd nie może pływ. Co więcej, polega ona na polaryzacji całych obiektów, wynikającej z polaryzacji ich składowych cząsteczek, którą można modulować za pomocą pola elektrycznego.

Podobnie jak równania ruchu liniowego i obrotowego są do siebie analogiczne, matematyka leżąca u podstaw efektów an effectspole elektryczne​ ​midziałanie na ładunki punktowe bardzo przypomina to, które opisuje wpływ pola grawitacyjnego działającego na masy punktowe. Siła pola elektrycznego jest dana przez

• Wektor pola elektrycznego wskazuje w tym samym kierunku, co wektor siły elektrycznej, gdyqjest pozytywny. Jednostkimisą niutonami na kulomb (N/C).

Ładunki punktowe tworzą własne pola elektryczne. (Pamiętaj, że ładunki „punktowe” mogą mieć dowolną wielkość i nadal nie mogą być uważane za zajmujące jakąkolwiek objętość.) Wyrażenie na to jest:

gdziekjest stałą 9 ​​×10⁹ Nm²/DO² irto przemieszczenie (odległość i kierunek) między ładunkiem a dowolnym punktem, w którym oceniane jest pole. Połączenie dwóch głównych równań powyżej daje:

Ten związek jest znany jakoprawo Coulomba​.

Jeśli każdy ładunek punktowy tworzy własne pole elektryczne, czy możliwe jest uzyskanie jednolitego pola elektrycznego – to znaczy takiego, w którym wielkość i kierunekmiJest taki sam? Z powodów, które zobaczysz, wymagane jest jednorodne pole, aby siła wypadkowa na dipolu wynosiła zero.

Umieszczenie dwóch nieskończenie dużych płytek przewodzących równolegle do siebie i umieszczenie między nimi materiału izolacyjnego lub materiału dielektrycznego umożliwia pole elektryczne, które ma być generowane, jeśli między nimi zostanie ustalone napięcie (różnica potencjałów elektrycznych), na przykład gdy różne płytki są przymocowane do bateria.

Ten układ jest przybliżony w produkcjikondensatory, które przechowują ładunek elektryczny w obwodach. Linie pola elektrycznego są prostopadłe do płytek i skierowane w stronę płytki ujemnej. Ale jak na początku gromadzą się ładunki na powierzchni tych jednostek?

W przewodach nie mogą istnieć pola elektryczne sieci. Dzieje się tak dlatego, że jeśli elektrony mogą się swobodnie poruszać, będą to robić, aż osiągną równowagę, gdzie suma wszystkich sił i momentów wynosi zero, a ponieważ F = qE,mimusi wynosić zero. Innymi słowy, ruch swobodnych elektronów w przewodniku zaciera wszelkie istniejące pole elektryczne, „wyrównując je” poprzez przesunięcie elektronów.

Zupełnie inaczej wygląda sytuacja wewnątrz izolatorów. Wszystkie atomy składają się z dodatnio naładowanego jądra otoczonego chmurą elektronów. W obecności zewnętrznego pola elektrycznego (być może spowodowanego obecnością naładowanego obiektu), chmury elektronów mogą się przesuwać, co skutkujemoment dipolowyi siła elektryczna netto.

Chociaż nie ma ładunku netto w izolatorze, jeśli jakakolwiek jego część jest próbkowana, obecność momentów dipolowych prowadzi do akumulacji ładunku dodatniego netto po jednej stronie próbki i ładunku ujemnego netto po drugiej bok. Jednak ładunki tak naprawdę nie gromadzą się na powierzchni, jak w przypadku przewodników, ze względu na ograniczony ruch elektronów w tych materiałach.

Polaryzacja występuje, gdy elektrony w neutralnie naładowanym obiekcie przesuwają swoje średnie położenie względem protony, w wyniku czego powstają dwa „klastry” elektronów (obszary o zlokalizowanej zwiększonej gęstości elektronowej) na cząsteczkę i dipol za chwilę. Dwie opłaty sąqrówne pod względem wielkości i przeciwne pod względem znaku. W dipolu molekularnym stopień polaryzacji zależy od podatności elektrycznej materiału.p= qre= moment dipolowy apojedynczydipol w materiale dielektrycznym.

Aby wyczuć działanie pola elektrycznegomiwewnątrz izolatora jako całości należy wziąć pod uwagę materiał o gęstości objętościowej dipola równejNdipole ładowania na jednostkę objętości. Rozważasz teraz dużą liczbę sąsiednich dipoli, z lekkim ładunkiem dodatnim na jednym końcu każdego dipola i niewielkim ładunkiem ujemnym na drugim końcu. (To skutkujedipol-dipolprzyciąganie między + i – opłat w dipolach end-to-end.)

Gęstość polaryzacji dielektrykaPcharakteryzuje stężenie dipoli w materiale w wyniku oddziaływania znajdującego się w nim pola elektrycznego:P= Np= Nqre.​

​Pjest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego, jak można by się spodziewać. Ta relacja jest podana przezP​ = ε₀χ₀​mi, gdzie ε₀ jest stałą elektryczną i χ₀ jest podatność elektryczna.

Niektóre cząsteczki są już naturalnie spolaryzowane. Są to tak zwane cząsteczki polarne. Przykładem cząsteczki polarnej jest woda, która składa się z dwóch atomów wodoru związanych z jednym atomem tlenu. H₂Sama cząsteczka O jest symetryczna w tym sensie, że można ją podzielić na równe połówki płaszczyzną umieszczoną między nimi w prawidłowej orientacji.

Wiązania między atomami wodoru i tlenu w tej samej cząsteczce są wiązaniami kowalencyjnymi, ale temiędzy tymi atomami w różnych cząsteczkach wodysą nazywanewiązania wodorowe. Elektrony wspólne w wiązaniach kowalencyjnych między wodorem i tlenem leżą znacznie bliżej atomu tlenu, dzięki czemu atom tlenu w H₂O elektroujemny, a atomy wodoru elektrododatnie. Powstające w ten sposób wiązania wodorowe pomiędzy sąsiednimi cząsteczkami jest zatem konsekwencją polarności cząsteczek, która rozprzestrzenia się w całej próbce wody.

Jeśli trzymasz naładowany przedmiot w pobliżu cienkiego strumienia wody z kranu (który jest przewodnikiem tylko ze względu na obecność jonów i innych zanieczyszczeń), widać, że strumień wody porusza się nieznacznie w kierunku obiektu ze względu na ten efekt. Dzieje się tak, ponieważ molekuły orientują się tak, że koniec molekuły o przeciwnym ładunku wskazuje na naładowany obiekt.

Zjawisko separacji ładunków przebiega nieco inaczej w przewodnikach niż w dielektrykach. Zamiast molekuł, które stają się dipolami, swobodne elektrony są indukowane do przemieszczania się na jedną stronę materiału.

Szklany pręt, który jest izolatorem, może zbierać wolne elektrony i ładować się, gdy przesuwa się go po powierzchni takiej jak wełna. (Jest to przykład innego rodzaju transferu opłat,konlub bezpośredni kontakt). Jeśli ujemnie naładowany pręt znajdzie się w pobliżu kuli anelektroskopbez dotykania go elektrony zostaną „odepchnięte” i będą swobodnie przemieszczać się wzdłuż przewodzących powierzchni kuli w kierunku pary aluminiowych liści zawieszonych w środku. Zobaczysz, jak liście odpychają się nawzajem.

Zwróć uwagę, że elektroskop jest nadal całkowicie obojętny elektrycznie, ale ładunek jest rozłożony inaczej. „Uciekanie” elektronów w kierunku liści wewnątrz liści jest równoważone przez osadzanie się ładunków dodatnich w miejscu, w którym pręcik znajduje się blisko kuli.

Gdybyś faktyczniedotknąćnaładowany pręt do kuli, elektrony zostaną przeniesione z pręta ze względu na znajdujące się w pobliżu ładunki dodatnie. Gdy odciągniesz pręt, elektroskop pozostanie naładowany, ale ładunki ujemne rozprowadzą się równomiernie w kuli.

Teraz jesteś w stanie zebrać to wszystko razem i obserwować, co się stanie, gdy zbliżysz naładowany pręt do przewodnika, który możerównieżbyć połączonym z czymś innym. (Zbliżenie naładowanego pręta do przewodzącej kuli i wyciągnięcie go, aby własne elektrony kuli zaczęły „tańczyć” w odpowiedzi, może po pewnym czasie stać się nudne.)

Załóżmy, że masz naładowany pręt izolacyjny i zbliżasz go do solidnej kuli przewodzącej połączonej z ziemią za pomocą izolującego słupka. Chociaż w poprzednich rozdziałach opisywano dipole w kategoriach pojedynczych cząsteczek w dielektrykach, to samo zjawisko jest indukowane „masowo” w przewodniku przez indukcję. Jeśli przewodnik jest kulą (kulą), elektrony przewodnika popłyną na powierzchnię półkuli naprzeciwko końcówki pręta.

Wyobraź sobie, co się stanie, gdy przyjaciel przytrzyma wędkę od góry, a ty przesuniesz drugą, również neutralnie przewodzącą kulkę, do pierwszej, dokładnie naprzeciwko położenia wędki. Zgromadzone tam elektrony wykorzystają okazję, aby oddalić się jeszcze dalej od pręta i jego odpychających elektronów i przesuną się na drugą stronętokula.

Teraz możesz stać się kreatywny. Jeśli chcesz, aby druga kula pozostała naładowana, po prostu odsuń dwie kulki od siebiepóki pręt jest nadal na swoim miejscu(a tym samym „rozpraszające” ładunki dodatnie). Elektrony zostaną ostatecznie przeniesione z pręta do drugiej kuli, gdzie rozprowadzą się równomiernie na jego powierzchni. Pierwsza kula powraca do swojego początkowego neutralnego i jednolitego stanu.

• Obiekty niesymetryczne grają według tych samych reguł fizycznych, ale nie jest tak łatwo określić „dokładne” zachowanie elektronów, jak w przypadku sfer.

Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się nad czym?przewody uziemiającezrobić, lub jak działają? Ziemia jest uważana za elektrycznie obojętną, ale jest wystarczająco rozległa, aby bez konsekwencji absorbować lokalne zaburzenia. Z tego powodu Ziemia może działać jako ogromny zbiornik lub bufor ładunku, dostarczając w razie potrzeby elektrony przez przewody uziemiające do neutralizować przedmioty naładowane dodatnio, lub przyjmować je od przedmiotów naładowanych ujemnie przez przewód w odwrotnym kierunku kierunek.

Tak więc, aby zapobiec niepożądanemu napięciu dzięki znacznej akumulacji ładunków netto na dużych obiektach przewodzących, przewody uziemiające oferują funkcję bezpieczeństwa w wysoce elektrycznym współczesnym świecie.