Поляризация и электрическая индукция: что это и как работает? (с примерами)

Даже если вы новичок в дисциплине физической науки, известной как электромагнетизм, вы, вероятно, знаете, что одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные - притягиваются; то есть положительный заряд будет притягиваться к отрицательному заряду, но будет иметь тенденцию отталкивать другой положительный заряд, с тем же простым правилом, выполняемым в обратном порядке. (Это основа повседневной поговорки «противоположности притягиваются»; Верно ли это в романтических отношениях - это, возможно, открытый вопрос, но это, безусловно, тот случай, когда речь идет об электрических зарядах на атомах и молекулах.)

Однако вы можете не знать, что заряженный объект может быть притянут к нейтральному объекту, то есть к объекту без чистого заряда. Это возможно благодаря феноменуполяризация заряда, что объясняет тот факт, что молекулы, которые в целом электрически нейтральны, могут иметь внутри асимметричное распределение заряда. По аналогии, в городе может быть равное количество жителей младше 40 и старше 40, но их распределение в пределах города почти наверняка асимметрично.

• ​Молекулыпредставляют собой совокупность двух или более атомов, представляющих наименьшую химическую единицу конкретного соединения; эти атомы могут представлять один и тот же элемент, например газообразный кислород (O₂) или включать несколько элементов, как в случае диоксида углерода (CO₂).

Передача электрического зарядаиндукция- то есть без прямого прикосновения к объектам, которые обмениваются зарядами в виде свободных электронов - вращается вокруг стратегического размещение проводников, которые представляют собой материалы, через которые легко протекает ток, и изоляторов, которые являются материалами, через которые ток не может проходить. поток. Но более того, он полагается на поляризацию целых объектов, обусловленную поляризацией составляющих их молекул, которые можно модулировать с помощью электрического поля.

Подобно тому, как линейные и вращательные уравнения движения аналогичны друг другу, математика, лежащая в основе эффектовэлектрическое поле​ ​Eдействие на точечные заряды очень похоже на то, что описывает эффекты гравитационного поля, действующего на точечные массы. Сила электрического поля определяется выражением

• Вектор электрического поля указывает в том же направлении, что и вектор электрической силы, когдаqположительный. ЕдиницыE- ньютоны на кулон (N / C).

Точечные заряды создают свои собственные электрические поля. (Помните, что «точечные» заряды могут иметь любую величину и при этом не восприниматься как занимающие какой-либо объем.) Выражение для этого:

гдеkпостоянная 9 × 10⁹ Нм²/ C² а такжерэто смещение (расстояние и направление) между зарядом и любой точкой, в которой оценивается поле. Объединение двух основных уравнений выше дает:

Эти отношения известны какЗакон Кулона​.

Если каждый точечный заряд создает свое собственное электрическое поле, возможно ли иметь однородное электрическое поле, то есть такое, в котором величина и направлениеEта же? По причинам, которые вы увидите, требуется однородное поле, чтобы результирующая сила на диполе была равна нулю.

Размещение двух бесконечно больших проводящих пластин параллельно друг другу и размещение изоляционного материала или диэлектрического материала между ними позволяет обеспечить электрическое поле, которое создается, если между ними устанавливается напряжение (разность электрических потенциалов), например, когда разные пластины прикреплены к аккумулятор.

Это расположение приблизительно при изготовленииконденсаторы, которые накапливают электрический заряд в цепях. Силовые линии электрического поля перпендикулярны пластинам и указывают на отрицательную пластину. Но как с самого начала на поверхности этих устройств накапливаются заряды?

Чистые электрические поля не могут существовать внутри проводников. Это связано с тем, что, если электроны могут свободно перемещаться, они будут делать это до тех пор, пока не достигнут равновесия, когда сумма всех сил и моментов равна нулю, и поскольку F = qE,Eдолжно быть равно нулю. Другими словами, движение свободных электронов в проводнике уничтожает любое электрическое поле, которое могло бы существовать, «выравнивая его» посредством сдвига электронов.

Совершенно иная ситуация внутри изоляторов. Все атомы состоят из положительно заряженного ядра, окруженного электронным облаком. В присутствии внешнего электрического поля (возможно, вызванного наличием заряженного объекта) электронные облака могут сдвигаться, что приводит кдипольный моменти чистая электрическая сила.

Хотя в изоляторе нет чистого заряда, если отбирается какая-либо его часть, наличие дипольных моментов приводит к накоплению чистого положительного заряда на одной стороне образца и чистого отрицательного заряда на другой боковая сторона. Но на самом деле заряды не накапливаются на поверхности, как в случае с проводниками, из-за ограниченного движения электронов в этих материалах.

Поляризация возникает, когда электроны внутри нейтрально заряженного объекта сдвигают свое среднее положение относительно протонов, в результате чего образуются два «кластера» электронов (области локализованной повышенной электронной плотности) на молекулу и диполь момент. Два обвиненияqравны по величине и противоположны по знаку. В молекулярном диполе степень поляризации определяется электрической восприимчивостью материала.п= qd= дипольный моментОдиндиполь в диэлектрическом материале.

Чтобы получить представление о влиянии электрического поляEвнутри изолятора в целом рассмотрим материал с дипольной объемной плотностьюNзарядовые диполи на единицу объема. Теперь вы рассматриваете большое количество соседних диполей с небольшим положительным зарядом на одном конце каждого диполя и небольшим отрицательным зарядом на другом конце. (Это приводит кдиполь-дипольпритяжения между + и - зарядами в сквозных диполях.)

Плотность диэлектрической поляризациипхарактеризует концентрацию диполей в материале в результате воздействия электрического поля внутри него:п= Nп= Nqd.​

​ппропорциональна напряженности электрического поля, как и следовало ожидать. Это отношение задаетсяп​ = ε₀χ₀​E, где ε₀ - электрическая постоянная, а χ₀ электрическая восприимчивость.

Некоторые молекулы уже поляризованы естественным образом. Их называют полярными молекулами. Примером полярной молекулы является вода, которая состоит из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. H₂Сама молекула O симметрична в том смысле, что ее можно разделить на равные половины плоскостью, расположенной между ними в правильной ориентации.

Связи между атомами водорода и кислорода в одной и той же молекуле являются ковалентными связями, но темежду этими атомами в разных молекулах водыназываютсяводородные связи. Электроны, связанные ковалентными связями между водородом и кислородом, расположены намного ближе к атому кислорода, что делает атом кислорода в H₂O электроотрицательный, а атомы водорода электроположительные. Таким образом, возникающее в результате образование водородных связей между соседними молекулами является следствием полярности молекул, которая распространяется по всей пробе воды.

Если поднести заряженный предмет к тонкой струе воды из крана (которая является проводником только благодаря присутствие ионов и других примесей), вы можете увидеть, как поток воды очень слегка движется к объекту из-за этот эффект. Это потому, что молекулы ориентируются так, что конец молекулы с противоположным зарядом указывает на заряженный объект.

Явление разделения зарядов в проводниках происходит немного иначе, чем в диэлектриках. Вместо того, чтобы молекулы становились диполями, свободные электроны перемещаются к одной стороне материала.

Стеклянный стержень, являющийся изолятором, может собирать свободные электроны и становиться заряженными, если провести по поверхности, например по шерсти. (Это пример передачи заряда другого типа,противили прямой контакт.) Если отрицательно заряженный стержень поднести к шарикуэлектроскопне касаясь его, электроны будут «отталкиваться», и они будут свободно перемещаться по проводящим поверхностям шара к паре алюминиевых пластинок, висящих внутри. Вы увидите, как листья отталкиваются друг от друга.

Обратите внимание, что электроскоп в целом электрически нейтрален, но заряд распределяется по-другому. «Убегание» электронов к листьям внутри уравновешивается оседанием положительных зарядов там, где стержень находится близко к сфере.

Если бы вы на самом делетрогатьзаряженный стержень к мячу, электроны будут переноситься от стержня из-за положительных зарядов поблизости. Когда вы вытаскиваете стержень, электроскоп останется заряженным, но отрицательные заряды равномерно распределятся по шару.

Теперь вы можете собрать все это вместе и понаблюдать, что происходит, когда вы помещаете заряженный стержень рядом с проводником, который можеттакжебыть подключенным к чему-то другому. (Если поднести заряженный стержень к проводящей сфере и отодвинуть его, чтобы заставить собственные электроны сферы "танцевать" в ответ, со временем может наскучить).

Предположим, у вас есть заряженный изолирующий стержень, и вы подносите его к твердой проводящей сфере, соединенной с землей с помощью изолирующего стержня. Хотя в предыдущих разделах диполи описывались с точки зрения отдельных молекул в диэлектриках, то же самое явление индуцируется в проводнике «в массе» за счет индукции. Если проводником является сфера (шар), электроны проводника будут течь к поверхности полусферы, противоположной кончику стержня.

Представьте, что произойдет, если, пока друг держит стержень сверху на месте, вы сдвинете второй, также нейтральный, проводящий шар, по первому, прямо напротив места размещения стержня. Собравшиеся там электроны воспользуются возможностью уйти еще дальше от стержня и его отталкивающих электронов и переместятся в дальнюю сторону.этосфера.

Теперь вы можете проявить творческий подход. Если вы хотите, чтобы второй шар оставался заряженным, просто разведите два шара в стороны.пока стержень еще на месте(и таким образом «отвлекают» положительные заряды). В конечном итоге электроны переходят от стержня ко второй сфере, где они равномерно распределяются по ее поверхности. Первый шар возвращается в исходное нейтральное и однородное состояние.

• Несимметричные объекты действуют по одним и тем же физическим правилам, но выяснить «точное» поведение электронов не так просто, как в случае сфер.

Вы когда-нибудь задумывались о том, чтозаземляющие проводаделать, или как они работают? Земля считается электрически нейтральной, но она достаточно велика, чтобы без последствий поглощать локальные возмущения заряда. Из-за этого Земля может действовать как обширный резервуар или буфер для заряда, поставляя электроны по мере необходимости через заземляющие провода в нейтрализовать положительно заряженные предметы или принимать их от отрицательно заряженных предметов через провод в противоположном направлении направление.

Таким образом, чтобы предотвратить нежелательное напряжение из-за значительного накопления чистых зарядов на больших проводящих объектах, заземляющие провода предлагают функцию безопасности в современном мире с высокой степенью электричества.