Aj keď ste v odbore fyzikálnych vied známom ako elektromagnetizmus nováčikom, pravdepodobne si uvedomujete, že podobné náboje odpudzujú a opačné náboje priťahujú; to znamená, že kladný náboj bude priťahovaný k zápornému náboju, ale bude mať tendenciu odpudzovať ďalší kladný náboj, pričom rovnaké jednoduché pravidlo bude platiť opačne. (Toto je základ každodenného hovorenia „priťahujú protiklady“; to, či to platí v romantike, je možno otvorená otázka, ale je to určite tak, pokiaľ ide o elektrické náboje na atómoch a molekulách.)
Možno však neviete, že je možné, že nabitý objekt bude priťahovaný k neutrálnemu objektu - teda k objektu bez čistého náboja. To je možné prostredníctvom javupolarizácia náboja, čo zodpovedá skutočnosti, že molekuly, ktoré sú celkovo elektricky neutrálne, môžu mať v sebe asymetrické rozloženie náboja. Analogicky by mesto mohlo mať rovnaký počet obyvateľov pod 40 a nad 40 rokov, ale ich distribúcia v rámci hraníc mesta je takmer určite asymetrická.
- Molekulysú súbory dvoch alebo viacerých atómov predstavujúcich najmenšiu chemickú jednotku konkrétnej zlúčeniny; tieto atómy môžu predstavovať rovnaký prvok, ako je plynný kyslík (O 2) alebo zahŕňajú viac prvkov, ako napríklad oxid uhličitý (CO2).
Prenos elektrického náboja oindukcia- význam bez priameho dotyku objektov, ktoré si vymieňajú náboje vo forme voľných elektrónov - sa točí okolo strategického umiestnenie vodičov, ktoré sú materiálmi, cez ktoré ľahko preteká prúd, a izolátory, ktoré sú materiálmi, cez ktoré prúd nemôže tok. Ale viac než to sa spolieha na polarizáciu celých objektov, ktorá vyplýva z polarizácie ich základných molekúl, ktoré je možné modulovať pomocou elektrického poľa.
Bodové náboje a elektrické polia
Podobným spôsobom sú si lineárne a rotačné pohybové rovnice navzájom analogické, matematika, ktorá je základom účinkovelektrické pole Epôsobenie na bodové náboje sa silne podobá pôsobeniu gravitačného poľa pôsobiaceho na bodové hmoty. Sila elektrického poľa je daná vzťahom
F_E = qE
- Vektor elektrického poľa smeruje rovnakým smerom ako vektor elektrickej sily, keďqje pozitívny. JednotkyEsú newtony na coulomb (N / C).
Bodové náboje vytvárajú svoje vlastné elektrické polia. (Pamätajte, že bodové náboje môžu mať akúkoľvek veľkosť a stále ich nemožno chápať tak, že zaberajú akýkoľvek objem.) Výraz pre toto je:
E = \ frac {kq} {r ^ 2}
kdekje konštanta 9 × 109 Nm2/ C2 arje posun (vzdialenosť a smer) medzi nábojom a ktorýmkoľvek bodom, v ktorom sa pole hodnotí. Kombinácia dvoch vyššie uvedených základných rovníc dáva:
F_E = \ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}
Tento vzťah je známy akoCoulombov zákon.
Rovnomerné elektrické polia a polarizácia
Ak si každý bodový náboj vytvára svoje vlastné elektrické pole, je možné mať jednotné elektrické pole - to znamená také, v ktorom veľkosť a smerEje rovnaký? Z dôvodov, ktoré uvidíte, je potrebné jednotné pole, aby čistá sila na dipóle bola nulová.
Umiestnenie dvoch nekonečne veľkých vodivých dosiek paralelne k sebe a umiestnenie izolačného materiálu alebo dielektrického materiálu medzi ne umožňuje elektrické pole, ktoré sa má generovať, ak sa medzi nimi vytvorí napätie (rozdiel elektrického potenciálu), napríklad keď sú rôzne platne pripojené k a batéria.
Toto usporiadanie je približné pri výrobekondenzátory, ktoré ukladajú elektrický náboj v obvodoch. Čiary elektrického poľa sú kolmé na doštičky a smerujú k záporne doskám. Ako sa však najskôr na povrchoch týchto jednotiek hromadia náboje?
Polarizácia izolátora
Čisté elektrické polia nemôžu vo vnútri vodičov existovať. Je to preto, že ak sa elektróny môžu voľne pohybovať, budú to robiť dovtedy, kým nebudú v rovnovážnom stave, kde je súčet všetkých síl a krútiacich momentov nulový, a keďže F = qE,Emusí byť nula. Inými slovami, pohyb voľných elektrónov vo vodiči vyhladzuje akékoľvek elektrické pole, ktoré by existovalo „vyrovnaním“ prostredníctvom posunu elektrónov.
Situácia vo vnútri izolátorov je celkom iná. Všetky atómy pozostávajú z kladne nabitého jadra obklopeného elektrónovým mrakom. V prítomnosti vonkajšieho elektrického poľa (pravdepodobne spôsobeného prítomnosťou nabitého objektu) sa môžu elektrónové oblaky posúvať, čo vedie kdipólového momentua čistá elektrická sila.
Aj keď v izolátore nie je žiadny čistý náboj, je z neho vzorkovaná akákoľvek časť, prítomnosť dipólových momentov vedie k akumulácii čistého kladného náboja na jednej strane vzorky a čistého záporného náboja na druhej strane strane. Ale náboje sa v skutočnosti nehromadia na povrchu, podobne ako u vodičov, kvôli obmedzenému pohybu elektrónov v týchto materiáloch.
Definícia polarizácie
Polarizácia nastáva, keď elektróny v neutrálne nabitom objekte posunú svoju priemernú polohu vzhľadom na protóny, výsledkom čoho sú dva „zhluky“ elektrónov (oblasti lokalizovanej zvýšenej hustoty elektrónov) na molekulu a dipól okamih. Tieto dva poplatky súqrovná sa veľkosťou a opačná v znamienku. V molekulárnom dipóle je rozsah polarizácie určený elektrickou citlivosťou materiálu.p= qd= dipólový moment aslobodnýdipól v dielektrickom materiáli.
Získať zmysel pre vplyv elektrického poľaEvo vnútri izolátora ako celku zvážte materiál s objemovou hustotou dipóluNnabíjajte dipóly na jednotku objemu. Teraz uvažujete o veľkom počte susedných dipólov, s miernym kladným nábojom na jednom konci každého dipólu a miernym záporným nábojom na druhom konci. (Výsledkom jedipól-dipólatrakcie medzi nábojmi + a - v koncových dipóloch.)
Hustota polarizácie dielektrikaPcharakterizuje koncentráciu dipólov v materiáli v dôsledku vplyvu elektrického poľa v ňom:P= Np= Nqd.
Pje úmerná sile elektrického poľa, ako by ste čakali. Tento vzťah je danýP = ε0χ0E, kde ε0 je elektrická konštanta a χ0 je elektrická susceptibilita.
Polárne molekuly
Niektoré molekuly sú už prirodzene polarizované. Hovorí sa im polárne molekuly. Príkladom polárnej molekuly je voda, ktorá sa skladá z dvoch atómov vodíka naviazaných na jeden atóm kyslíka. H2Samotná molekula O je symetrická v tom, že ju možno rozdeliť na rovnaké polovice rovinou umiestnenou medzi nimi v správnej orientácii.
Väzby medzi atómami vodíka a kyslíka v tej istej molekule sú kovalentné väzby, ale tiemedzi týmito atómami v rôznych molekulách vodysa volajúvodíkové väzby. Elektróny zdieľané v kovalentných väzbách medzi vodíkom a kyslíkom ležia oveľa bližšie k atómu kyslíka, čím sa atóm kyslíka nachádza v H2O elektronegatívne a atómy vodíka elektropozitívne. Výsledná tvorba vodíkových väzieb medzi susednými molekulami je teda dôsledkom polarity molekúl, ktorá sa šíri cez celú vzorku vody.
Ak držíte nabitý predmet v blízkosti tenkého prúdu vody z faucetu (čo je vodič iba kvôli prítomnosť iónov a iných nečistôt), môžete vidieť, že prúd vody sa tak mierne pohybuje k objektu v dôsledku tento efekt. Je to tak preto, lebo molekuly sa orientujú tak, že koniec molekuly s opačným nábojom smeruje k nabitému objektu.
Elektrická indukcia
Fenomén oddelenia náboja sa deje vo vodičoch trochu inak ako v dielektrikách. Namiesto toho, aby sa molekuly stali dipólmi, sú voľné elektróny indukované pohybom na jednu stranu materiálu.
Sklenená tyčinka, ktorá je izolátorom, môže zhromažďovať voľné elektróny a pri prechode prstom po povrchu, ako je vlna, sa nabiť. (Toto je príklad iného druhu prenosu poplatkov,konvedením alebo priamym kontaktom.) Ak sa do blízkosti gule privedie záporne nabitá tyčelektroskopbez dotyku budú elektróny „odtlačené“ a budú sa voľne pohybovať po vodivých povrchoch gule smerom k dvojici hliníkových listov visiacich vo vnútri. Uvidíte, ako sa listy navzájom odpudzujú.
Upozorňujeme, že elektroskop je celkovo stále elektricky neutrálny, ale náboj je distribuovaný inak. „Utekanie“ elektrónov smerom k listom vo vnútri je vyvážené usadzovaním kladných nábojov tam, kde je tyč blízko gule.
Keby si mal vlastnedotknúť sanabitou tyčou do gule, budú elektróny prenášané z tyčinky kvôli kladným nábojom v blízkosti. Po odtiahnutí tyče zostane elektroskop nabitý, ale záporné náboje sa rovnomerne rozdelia po celej guľke.
Príklady indukcie
Teraz ste v pozícii, aby ste to všetko spojili a sledovali, čo sa stane, keď umiestnite nabitú tyč blízko vodiča, ktorý môžetiežbyť spojený s niečím iným. (Priblíženie nabitej tyče k vodivej guli a jej strhnutie, aby vlastné elektróny gule „tancovali“, môže byť po chvíli nudné.)
Predpokladajme, že máte nabitú izolačnú tyč a priblížite ju blízko k pevnej vodivej gule spojenej so zemou izolačným stĺpikom. Aj keď predchádzajúce časti popisovali dipóly z hľadiska jednotlivých molekúl v dielektrikách, indukuje sa ten istý jav „hromadne“ vo vodiči. Ak je vodičom guľa (guľa), elektróny vodiča budú prúdiť na povrch pologule oproti hrotu tyče.
Dvojičky
Predstavte si, čo sa stane, ak priateľ drží tyč zhora na mieste a druhou protiľahlou vodiacou guľou zasuniete proti prvej priamo oproti umiestneniu tyče. Zhromaždené elektróny využijú príležitosť dostať sa ďalej od tyče a jej odpudzujúcich elektrónov a presunú sa na odvrátenú stranutotosféra.
Teraz môžete byť kreatívni. Ak chcete, aby druhá guľa zostala nabitá, jednoducho obe gule od seba odtiahnitezatiaľ čo tyč je stále na svojom mieste(a tým „odvádza pozornosť“ od kladných nábojov). Elektróny budú nakoniec prenesené z tyče do druhej gule, kde sa rovnomerne rozložia po jej povrchu. Prvá guľa sa vráti do pôvodného neutrálneho a rovnomerného stavu.
- Nesymetrické objekty hrajú podľa rovnakých fyzikálnych pravidiel, ale nie je také ľahké zistiť „presné“ chovanie elektrónov, ako je to v prípade gúľ.
Pozemné drôty
Už ste niekedy premýšľali nad čímuzemňovacie vodičealebo ako fungujú? Zem sa považuje za elektricky neutrálnu, ale je dostatočne rozsiahla na to, aby bez následkov absorbovala miestne rušivé vplyvy. Z tohto dôvodu môže Zem pôsobiť ako obrovský rezervoár alebo nabíjací nárazník a podľa potreby dodávať elektróny cez zemné vodiče do neutralizovať kladne nabité predmety alebo ich prijať zo záporne nabitých predmetov drôtom v protiklade smer.
Takže, aby sa zabránilo nežiaducemu napätiu vďaka značnému hromadeniu sieťových nábojov na veľkých vodivých predmetoch, ponúkajú uzemňovacie vodiče bezpečnostný prvok vo vysoko elektrickom modernom svete.