Polarização e indução elétrica: o que é e como funciona? (c / exemplos)

Mesmo que você seja novo na disciplina da ciência física conhecida como eletromagnetismo, provavelmente sabe que cargas semelhantes se repelem e cargas opostas se atraem; isto é, uma carga positiva será atraída por uma carga negativa, mas tenderá a repelir outra carga positiva, com a mesma regra simples sendo mantida ao contrário. (Esta é a base do ditado cotidiano "os opostos se atraem"; se isso é verdade no romance talvez seja uma questão em aberto, mas certamente é o caso quando se trata de cargas elétricas em átomos e moléculas.)

Você pode, entretanto, não saber que é possível que um objeto carregado seja atraído por um objeto neutro - isto é, um objeto sem carga líquida. Isso é possível através do fenômeno depolarização de carga, o que explica o fato de que as moléculas que são eletricamente neutras em geral podem ter uma distribuição de carga assimétrica dentro delas. Por analogia, uma cidade pode ter um número igual de residentes com menos de 40 e mais de 40 anos, mas sua distribuição dentro das fronteiras da cidade é quase certamente assimétrica.

• ​Moléculassão coleções de dois ou mais átomos que representam a menor unidade química de um composto específico; esses átomos podem representar o mesmo elemento, como o gás oxigênio (O₂), ou incluir vários elementos, como com dióxido de carbono (CO₂).

A transferência de carga elétrica porindução- ou seja, sem toque direto dos objetos que estão trocando cargas na forma de elétrons livres - gira em torno do estratégico colocação de condutores, que são materiais através dos quais a corrente flui facilmente, e isoladores, que são materiais através dos quais a corrente não pode fluxo. Mas, mais do que isso, depende da polarização de objetos inteiros a partir da polarização de suas moléculas constituintes, que podem ser moduladas com o uso de um campo elétrico.

Semelhante à maneira como as equações lineares e rotacionais do movimento são análogas entre si, a matemática subjacente aos efeitos de umcampo elétrico​ ​Eagindo sobre cargas pontuais assemelha-se fortemente a descrever os efeitos de um campo gravitacional agindo sobre massas pontuais. A força de um campo elétrico é dada por

• O vetor do campo elétrico aponta na mesma direção que o vetor da força elétrica quandoqé positivo. As unidades deEsão newtons por coulomb (N / C).

As cargas pontuais estabelecem seus próprios campos elétricos. (Lembre-se de que cargas "pontuais" podem ter qualquer magnitude e ainda não ser concebidas como ocupando qualquer volume.) A expressão para isso é:

Ondeké a constante 9 × 10⁹ Nm²/ C² eré o deslocamento (distância e direção) entre a carga e qualquer ponto no qual o campo é avaliado. Combinar as duas equações principais acima dá:

Esta relação é conhecida comoLei de Coulomb​.

Se cada carga pontual estabelece seu próprio campo elétrico, é possível ter um campo elétrico uniforme - isto é, aquele em que a magnitude e a direção deEé o mesmo? Por razões que você verá, um campo uniforme é necessário para que a força resultante em um dipolo seja zero.

Colocar duas placas condutoras infinitamente grandes paralelas e colocar um material isolante, ou material dielétrico, entre elas permite uma campo elétrico a ser gerado se uma tensão (diferença de potencial elétrico) é estabelecida entre eles, como quando as diferentes placas são fixadas a um bateria.

Este arranjo é aproximado na fabricação decapacitores, que armazenam carga elétrica em circuitos. As linhas do campo elétrico são perpendiculares às placas e apontam para a placa negativa. Mas, para começar, como as cargas se acumulam nas superfícies dessas unidades?

Os campos elétricos líquidos não podem existir dentro dos condutores. Isso porque, se os elétrons estão livres para se mover, eles o farão até que estejam em equilíbrio, onde a soma de todas as forças e torques é zero, e como F = qE,Edeve ser zero. Em outras palavras, o movimento dos elétrons livres em um condutor oblitera qualquer campo elétrico que existiria, "nivelando-o" por meio de uma mudança nos elétrons.

A situação dentro dos isoladores é bem diferente. Todos os átomos consistem em um núcleo carregado positivamente rodeado por uma nuvem de elétrons. Na presença de um campo elétrico externo (talvez causado pela presença de um objeto carregado), as nuvens de elétrons podem se deslocar, resultando em ummomento dipoloe uma força elétrica líquida.

Embora não haja carga líquida em um isolador, se qualquer parte dele for amostrada, a presença de momentos de dipolo leva ao acúmulo de carga líquida positiva de um lado da amostra e uma carga líquida negativa do outro lado. Mas as cargas não se acumulam na superfície, como acontece com os condutores, devido ao movimento limitado dos elétrons nesses materiais.

A polarização ocorre quando os elétrons dentro de um objeto com carga neutra mudam sua posição média em relação ao prótons, resultando em dois "aglomerados" de elétrons (áreas de densidade aumentada de elétrons localizadas) por molécula e um dipolo momento. As duas acusações sãoqigual em magnitude e oposto em sinal. Em um dipolo molecular, a extensão da polarização é determinada pela susceptibilidade elétrica do material.p= qd= o momento de dipolo de umsolteirodipolo em um material dielétrico.

Para ter uma noção do efeito do campo elétricoEdentro do isolador como um todo, considere um material com densidade de volume dipolo deNcarregue dipolos por unidade de volume. Agora você está considerando um grande número de dipolos adjacentes, com uma leve carga positiva em uma extremidade de cada dipolo e uma leve carga negativa na outra extremidade. (Isto resulta emdipolo-dipoloatrações entre + e - cobram em dipolos de ponta a ponta.)

A densidade de polarização dielétricaPcaracteriza a concentração de dipolos no material como resultado da influência do campo elétrico dentro dele:P= Np= Nqd.​

​Pé proporcional à intensidade do campo elétrico, como seria de esperar. Essa relação é dada porP​ = ε₀χ₀​E, onde ε₀ é a constante elétrica e χ₀ é a susceptibilidade elétrica.

Algumas moléculas já estão polarizadas naturalmente. Estas são chamadas de moléculas polares. Um exemplo de molécula polar é a água, que consiste em dois átomos de hidrogênio ligados a um único átomo de oxigênio. O H₂A própria molécula O é simétrica no sentido de que pode ser dividida em metades iguais por um plano colocado entre elas na orientação correta.

As ligações entre átomos de hidrogênio e átomos de oxigênio dentro da mesma molécula são ligações covalentes, mas aquelasentre esses átomos em diferentes moléculas de águasão chamadosligações de hidrogênio. Os elétrons compartilhados em ligações covalentes entre hidrogênio e oxigênio ficam muito mais próximos do átomo de oxigênio, tornando o átomo de oxigênio em H₂O eletronegativo e os átomos de hidrogênio eletropositivos. A formação resultante de ligações de hidrogênio entre moléculas adjacentes é, portanto, uma consequência da polaridade das moléculas, que se propaga por toda a amostra de água.

Se você segurar um objeto carregado perto de um fino fluxo de água de uma torneira (que é um condutor devido apenas ao presença de íons e outras impurezas), você pode ver o fluxo de água se mover levemente em direção ao objeto devido a este efeito. Isso ocorre porque as moléculas se orientam de forma que a extremidade da molécula com a carga oposta aponte em direção ao objeto carregado.

O fenômeno da separação de cargas ocorre de maneira um pouco diferente nos condutores e nos dielétricos. Em vez de as moléculas se tornarem dipolos, os elétrons livres são induzidos a se mover para um lado do material.

Uma haste de vidro, que é um isolante, pode coletar elétrons livres e ficar carregada se passar por uma superfície como a lã. (Este é um exemplo do outro tipo de transferência de carga,vigaristadução ou contato direto.) Se uma haste carregada negativamente for aproximada da bola de umeletroscópiosem tocá-la, os elétrons serão "empurrados" e se moverão livremente ao longo das superfícies condutoras da bola em direção ao par de folhas de alumínio penduradas em seu interior. Você verá as folhas se repelirem.

Observe que o eletroscópio ainda é eletricamente neutro no total, mas a carga é distribuída de forma diferente. A "fuga" dos elétrons em direção às folhas internas é contrabalançada pelo assentamento de cargas positivas onde o bastão está próximo à esfera.

Se você fosse realmentetoqueda haste carregada para a bola, os elétrons serão transferidos da haste por causa das cargas positivas próximas. Quando você puxa a haste, o eletroscópio permanece carregado, mas as cargas negativas se distribuem uniformemente pela bola.

Agora, você está em uma posição de colocar tudo isso junto e observar o que acontece quando você coloca uma haste carregada perto de um condutor que podetbestar conectado a outra coisa. (Aproximar uma haste carregada de uma esfera condutora e puxá-la para longe para fazer os próprios elétrons da esfera "dançarem" em resposta pode se tornar entediante depois de algum tempo.)

Suponha que você tenha uma haste isolante carregada e a aproxime de uma esfera condutora sólida conectada ao solo por um poste isolante. Embora as seções anteriores tenham descrito dipolos em termos de moléculas individuais em dielétricos, o mesmo fenômeno é induzido "em massa" em um condutor por meio de indução. Se o condutor for uma esfera (bola), os elétrons do condutor irão fluir para a superfície do hemisfério oposto à ponta da haste.

Imagine o que acontece se, enquanto um amigo segura a haste de cima no lugar, você desliza uma segunda bola, também condutora neutra, contra a primeira, diretamente oposta à colocação da haste. Os elétrons reunidos lá aproveitarão a oportunidade de se afastar ainda mais da haste e de seus elétrons repelentes, e se moverão para o lado oposto deestaesfera.

Agora você pode ser criativo. Se você quiser que a segunda bola permaneça carregada, simplesmente separe as duas bolasenquanto a haste ainda está no lugar(e, portanto, cargas positivas "distrativas"). Os elétrons terão sido transferidos, em última instância, do bastão para a segunda esfera, onde se distribuem uniformemente por sua superfície. A primeira bola retorna ao seu estado inicial neutro e uniforme.

• Objetos não simétricos seguem as mesmas regras físicas, mas não é tão fácil descobrir o comportamento "exato" dos elétrons como no caso das esferas.

Você já ponderou o quefios de terrafazer, ou como eles funcionam? A Terra é considerada eletricamente neutra, mas é vasta o suficiente para absorver perturbações locais responsáveis ​​sem consequências. Por causa disso, a Terra pode atuar como um vasto reservatório ou buffer de carga, fornecendo elétrons conforme necessário por meio de fios de aterramento para neutralizar objetos carregados positivamente, ou aceitá-los de objetos carregados negativamente através do fio no oposto direção.

Portanto, para evitar tensão indesejada graças ao acúmulo considerável de cargas líquidas em grandes objetos condutores, os cabos de aterramento oferecem um recurso de segurança em um mundo moderno altamente elétrico.