Polarizare și inducție electrică: ce este și cum funcționează? (cu exemple)

Chiar dacă sunteți nou la disciplina din știința fizică cunoscută sub numele de electromagnetism, probabil că sunteți conștienți de faptul că, la fel ca încărcăturile resping și atrag sarcinile opuse; adică o sarcină pozitivă va fi atrasă de o sarcină negativă, dar va tinde să respingă o altă sarcină pozitivă, cu aceeași regulă simplă care se ține invers. (Aceasta este baza zicalului cotidian „contrariile atrag”; dacă acest lucru este adevărat în romantism este probabil o întrebare deschisă, dar este cu siguranță cazul când vine vorba de sarcini electrice pe atomi și molecule.)

Cu toate acestea, este posibil să nu știți că este posibil ca un obiect încărcat să fie atras de un obiect neutru - adică un obiect fără sarcină netă. Acest lucru este posibil prin fenomenulpolarizarea sarcinii, ceea ce explică faptul că moleculele care sunt neutre din punct de vedere electric pot avea o distribuție asimetrică a sarcinii în interiorul lor. Prin analogie, un oraș ar putea avea un număr egal de rezidenți sub 40 și peste 40 de ani, dar distribuția lor în interiorul granițelor orașului este aproape sigur asimetrică.

• ​Moleculesunt colecții de doi sau mai mulți atomi care reprezintă cea mai mică unitate chimică a unui anumit compus; acești atomi pot reprezenta același element, cum ar fi oxigenul gazos (O₂), sau includ elemente multiple, ca și în cazul dioxidului de carbon (CO₂).

Transferul sarcinii electrice de cătreinducţie- adică fără atingerea directă a obiectelor care schimbă sarcini sub formă de electroni liberi - se învârte în jurul strategiei plasarea conductoarelor, care sunt materiale prin care curge curent rapid, și a izolatoarelor, care sunt materiale prin care curentul nu poate curgere. Mai mult decât atât, se bazează pe polarizarea obiectelor întregi care decurg din polarizarea moleculelor lor constitutive, care pot fi modulate cu utilizarea unui câmp electric.

Similar modului în care ecuațiile liniare și rotaționale ale mișcării sunt analoge unele cu altele, matematica care stă la baza efectelor unuicâmp electric​ ​Eacționând asupra sarcinilor punctiforme seamănă puternic cu descrierea efectelor unui câmp gravitațional care acționează asupra maselor punctuale. Forța unui câmp electric este dată de

• Vectorul câmpului electric indică în aceeași direcție ca și vectorul forței electrice atunci cândqeste pozitiv. Unitățile dinEsunt newtoni per coulomb (N / C).

Sarcinile punctuale își stabilesc propriile câmpuri electrice. (Amintiți-vă că încărcăturile „punctuale” pot avea orice magnitudine și totuși nu pot fi concepute ca luând niciun volum.) Expresia pentru aceasta este:

Undekeste constanta 9 × 10⁹ Nm²/ C² șireste deplasarea (distanța și direcția) dintre sarcină și orice punct în care este evaluat câmpul. Combinarea celor două ecuații principale de mai sus dă:

Această relație este cunoscută sub numele deLegea lui Coulomb​.

Dacă fiecare sarcină punctuală își stabilește propriul câmp electric, este posibil să existe un câmp electric uniform - adică unul în care magnitudinea și direcțiaEeste același? Din motivele pe care le veți vedea, este necesar un câmp uniform pentru ca forța netă pe un dipol să fie zero.

Plasarea a două plăci conductoare infinit de mari paralele între ele și plasarea unui material izolator sau material dielectric între ele permite o câmp electric care trebuie generat dacă se stabilește o tensiune (diferența electrică de potențial) între ele, cum ar fi atunci când diferitele plăci sunt atașate la un baterie.

Acest aranjament este aproximat la fabricareacondensatoare, care stochează sarcina electrică în circuite. Liniile câmpului electric sunt perpendiculare pe plăci și se îndreaptă spre placă negativă. Dar cum se acumulează sarcini pe suprafețele acestor unități, pentru început?

Câmpurile electrice nete nu pot exista în interiorul conductoarelor. Acest lucru se datorează faptului că, dacă electronii sunt liberi să se miște, vor face acest lucru până când vor fi la echilibru, unde suma tuturor forțelor și cuplurilor este zero și, din moment ce F = qE,Etrebuie să fie zero. Cu alte cuvinte, mișcarea electronilor liberi într-un conductor distruge orice câmp electric care ar exista „nivelându-l” printr-o schimbare a electronilor.

Situația din interiorul izolatorilor este destul de diferită. Toți atomii constau dintr-un nucleu încărcat pozitiv înconjurat de un nor de electroni. În prezența unui câmp electric extern (probabil cauzat de prezența unui obiect încărcat), norii de electroni se pot deplasa, rezultând omoment dipolși o forță electrică netă.

Deși nu există nicio încărcare netă într-un izolator, dacă este prelevată o porțiune a acestuia, prezența momentelor dipolice duce la acumularea de sarcină netă pozitivă pe o parte a eșantionului și o sarcină netă negativă pe de altă parte latură. Dar încărcăturile nu se acumulează de fapt la suprafață, la fel ca în cazul conductorilor, din cauza mișcării limitate a electronilor din aceste materiale.

Polarizarea are loc atunci când electronii dintr-un obiect încărcat neutru își schimbă poziția medie față de protoni, rezultând două „grupuri” de electroni (zone cu densitate electronică crescută localizată) pe moleculă și un dipol moment. Cele două acuzații suntqegală în mărime și opusă în semn. Într-un dipol molecular, amploarea polarizării este determinată de susceptibilitatea electrică a materialului.p= qd= momentul dipol al lui asingurdipol într-un material dielectric.

Pentru a obține un sentiment al efectului câmpului electricEîn interiorul izolatorului ca întreg, considerați un material cu o densitate volumică dipolică deNîncărcați dipoli pe unitate de volum. Acum luați în considerare un număr mare de dipoli adiacenți, cu o ușoară încărcare pozitivă la un capăt al fiecărui dipol și o ușoară sarcină negativă la celălalt capăt. (Aceasta are ca rezultatdipol-dipolatracții între + și - taxe în dipoli de la capăt la cap.)

Densitatea de polarizare dielectricăPcaracterizează concentrația de dipoli din material ca urmare a influenței câmpului electric în interiorul acestuia:P= Np= Nqd.​

​Peste proporțional cu puterea câmpului electric, așa cum v-ați aștepta. Această relație este dată deP​ = ε₀χ₀​E, unde ε₀ este constanta electrică și χ₀ este susceptibilitatea electrică.

Unele molecule sunt deja polarizate în mod natural. Acestea se numesc molecule polare. Un exemplu de moleculă polară este apa, care constă din doi atomi de hidrogen legați de un singur atom de oxigen. H₂Molecula O în sine este simetrică prin aceea că poate fi împărțită în jumătăți egale de un plan plasat între ele în orientarea corectă.

Legăturile dintre atomii de hidrogen și atomii de oxigen din cadrul aceleiași molecule sunt legături covalente, dar aceleaîntre acești atomi în diferite molecule de apăsunt numitelegături de hidrogen. Electronii împărțiți în legături covalente între hidrogen și oxigen se află mult mai aproape de atomul de oxigen, făcând atomul de oxigen din H₂O electronegativ și atomii de hidrogen electropozitivi. Formarea rezultată a legăturilor de hidrogen între moleculele adiacente este astfel o consecință a polarității moleculelor, care se propagă prin întreaga probă de apă.

Dacă țineți un obiect încărcat lângă un curent subțire de apă de la o baterie (care este un conductor datorat numai prezența ionilor și a altor impurități), puteți vedea fluxul de apă care se mișcă atât de ușor spre obiect datorită acest efect. Acest lucru se datorează faptului că moleculele se orientează astfel încât capătul moleculei cu sarcina opusă să îndrepte spre obiectul încărcat.

Fenomenul de separare a sarcinii se întâmplă puțin diferit la conductori decât la dielectric. În loc ca moleculele să devină dipoli, electronii liberi sunt induși să se deplaseze într-o parte a materialului.

O tijă de sticlă, care este un izolator, poate colecta electroni liberi și poate fi încărcată dacă este trecută pe o suprafață, cum ar fi lână. (Acesta este un exemplu al celuilalt tip de transfer de taxă,con, sau contact direct.) Dacă o tijă încărcată negativ este adusă lângă mingea unuielectroscopfără a-l atinge, electronii vor fi „împinși departe” și se vor deplasa liber de-a lungul suprafețelor conductoare ale mingii către perechea de frunze de aluminiu atârnate în interior. Veți vedea frunzele respingându-se reciproc.

Rețineți că electroscopul este încă neutru din punct de vedere electric în total, dar sarcina este distribuită diferit. „Fugirea” electronilor spre frunzele din interior este echilibrată prin stabilirea sarcinilor pozitive în care tija este aproape de sferă.

Dacă ai fi de faptatingeretija încărcată la bilă, electronii vor fi transferați din tijă din cauza încărcărilor pozitive din apropiere. Când trageți tija departe, electroscopul va rămâne încărcat, dar sarcinile negative se vor distribui uniform pe tot globul.

Acum, sunteți în măsură să puneți toate acestea împreună și să observați ce se întâmplă atunci când așezați o tijă încărcată aproape de un conductor care ar puteade asemeneafi conectat la altceva. (Aducerea unei tije încărcate aproape de o sferă conducătoare și scoaterea acesteia pentru a face ca electronii sferei să „danseze” ca răspuns ar putea deveni plictisitor după un timp.)

Să presupunem că aveți o tijă izolatoare încărcată și o aduceți aproape de o sferă conductoare solidă conectată la sol printr-un stâlp izolator. Deși secțiunile anterioare au descris dipoli în termeni de molecule individuale în dielectric, același fenomen este indus „în masă” într-un conductor prin inducție. Dacă conductorul este o sferă (bilă), electronii conductorului vor curge la suprafața emisferei opusă vârfului tijei.

Imaginați-vă ce se întâmplă dacă, în timp ce un prieten ține tija de sus în loc, alunecați o a doua bilă, de asemenea neutră, în direcția primului, direct opusă plasării tijei. Electronii adunați acolo vor profita de ocazie pentru a se îndepărta și mai mult de tijă și de electronii ei respingători și se vor deplasa în partea îndepărtată aacestsferă.

Acum puteți deveni creativ. Dacă doriți ca a doua bilă să rămână încărcată, pur și simplu trageți cele două bileîn timp ce tija este încă la locul său(și astfel „distrage” sarcinile pozitive). Electronii vor fi transferați în cele din urmă din tijă în a doua sferă, unde se distribuie uniform pe suprafața sa. Prima bilă revine la starea inițială neutră și uniformă.

• Obiectele nesimetrice joacă după aceleași reguli fizice, dar nu este la fel de ușor să ne dăm seama de comportamentul „exact” al electronilor ca și în cazul sferelor.

Te-ai gândit vreodată cefire de masăsau cum funcționează? Pământul este considerat neutru din punct de vedere electric, dar este suficient de vast pentru a absorbi perturbațiile locale în sarcină fără consecințe. Din această cauză, Pământul poate acționa ca un vast rezervor sau tampon de încărcare, furnizând electroni, după cum este necesar, prin firele de la sol neutralizați obiecte încărcate pozitiv sau acceptați-le din obiecte încărcate negativ prin firul din opus direcţie.

Deci, pentru a preveni tensiunea nedorită datorită acumulării considerabile de sarcini nete pe obiecte conductoare mari, firele de la sol oferă o caracteristică de siguranță într-o lume modernă extrem de electrică.