Polarizacija in električna indukcija: kaj je to in kako deluje? (z / primeri)

Tudi če ste v fizikalni znanosti znan kot elektromagnetizem, se verjetno zavedate, da se podobni naboji odbijajo in nasprotni naboji privlačijo; to pomeni, da bo pozitiven naboj privlačil negativni naboj, vendar bo nagnjen k odganjanju drugega pozitivnega naboja z istim preprostim pravilom v obratni smeri. (To je osnova vsakdanjega izreka "nasprotja se privlačijo"; ali je to v romantiki res, je morda odprto vprašanje, vsekakor pa je tako, če gre za električne naboje na atomih in molekulah.)

Morda pa ne veste, da je možno, da napolnjeni predmet privlači nevtralen predmet - torej objekt brez neto naboja. To je mogoče s pojavompolarizacija naboja, kar pomeni, da imajo molekule, ki so v celoti električno nevtralne, v sebi asimetrično porazdelitev naboja. Po analogiji ima mesto lahko enako število prebivalcev, mlajših od 40 let in več kot 40 let, vendar je njihova razporeditev znotraj meja mesta skoraj zagotovo asimetrična.

• ​Molekuleso zbirke dveh ali več atomov, ki predstavljajo najmanjšo kemijsko enoto določene spojine; ti atomi lahko predstavljajo isti element, kot je plin kisik (O
  ₂) ali vključujejo več elementov, kot pri ogljikovem dioksidu (CO₂).

Prenos električnega naboja zindukcija- pomeni brez neposrednega dotika predmetov, ki si izmenjujejo naboje v obliki prostih elektronov - vrti se okoli strateškega namestitev vodnikov, ki so materiali, skozi katere tok zlahka teče, in izolatorjev, ki so materiali, skozi katere tok ne more pretok. Toda bolj kot to se opira na polarizacijo celotnih predmetov, ki izhaja iz polarizacije njihovih sestavnih molekul, ki jih je mogoče modulirati z uporabo električnega polja.

Podobno kot sta linearni in rotacijski enačbi gibanja analogni drug drugemu, matematika, na kateri temeljijo učinkielektrično polje​ ​Edelovanje na točkovne naboje je zelo podobno tistemu, ki opisuje učinke gravitacijskega polja, ki deluje na točkovne mase. Sila električnega polja je podana z

• Vektor električnega polja kaže v isti smeri kot vektor električne sile, kadarqje pozitiven. EnoteEso newtoni na kulon (N / C).

Točkovni naboji vzpostavljajo lastna električna polja. (Ne pozabite, da imajo lahko "točkovne" naboje poljubno velikost, vendar jih še vedno ne predstavljamo kot kakršne koli prostornine.) Izraz za to je:

kjekje konstanta 9 × 10⁹ Nm²/ C² inrje premik (razdalja in smer) med nabojem in katero koli točko, na kateri se ocenjuje polje. Združevanje dveh glavnih enačb zgoraj daje:

Ta odnos je znan kotCoulombov zakon​.

Če vsak točkovni naboj vzpostavi svoje lastno električno polje, ali je mogoče imeti enakomerno električno polje - to je tisto, v katerem velikost in smerEje enako? Iz razlogov, ki jih boste videli, je potrebno enakomerno polje, da je neto sila na dipolu enaka nič.

Namestitev dveh neskončno velikih prevodnih plošč vzporedno med seboj in namestitev izolacijskega materiala ali dielektričnega materiala mednje omogoča električno polje, ki se ustvari, če se med njimi vzpostavi napetost (razlika električnega potenciala), na primer ko so različne plošče pritrjene na baterijo.

Ta ureditev je približna pri izdelavikondenzatorji, ki shranjujejo električni naboj v vezjih. Linije električnega polja so pravokotne na plošče in kažejo na negativno ploščo. Kako pa se na začetku nabirajo naboji na površinah teh enot?

Neto električna polja znotraj vodnikov ne morejo obstajati. To je zato, ker če se elektroni prosto gibljejo, bodo to počeli, dokler niso v ravnovesju, kjer je vsota vseh sil in navorov enaka nič, in ker je F = qE,Emora biti nič. Z drugimi besedami, gibanje prostih elektronov v vodniku izbriše vsa električna polja, ki bi obstajala, tako da jih "izravnajo" s premikom elektronov.

Položaj znotraj izolatorjev je povsem drugačen. Vsi atomi so sestavljeni iz pozitivno nabitega jedra, obdanega z elektronskim oblakom. Ob prisotnosti zunanjega električnega polja (morda zaradi prisotnosti napolnjenega predmeta) se elektronski oblaki lahko premaknejo, kar povzročidipolni momentin neto električno silo.

Čeprav v izolatorju ni neto naboja, je, če je kateri koli njegov del vzorčen, prisotnost dipolnih trenutkov vodi do kopičenja neto pozitivnega naboja na eni strani vzorca in neto negativnega naboja na drugi strani strani. Toda naboji se dejansko ne kopičijo na površini, tako kot pri vodnikih, zaradi omejenega gibanja elektronov v teh materialih.

Polarizacija se zgodi, ko se elektroni znotraj nevtralno nabitih predmetov premaknejo v povprečni položaj glede na protoni, kar ima za posledico dve "grozdi" elektronov (območja lokalizirane povečane elektronske gostote) na molekulo in dipol trenutek. Obe obtožbi staqenaka po velikosti in nasprotna po predznaku. V molekularnem dipolu obseg polarizacije določa električna občutljivost materiala.str= qd= dipolni moment asamskidipol v dielektričnem materialu.

Da bi dobili občutek učinka električnega poljaEznotraj izolatorja kot celote upoštevajte material z volumsko gostoto dipolaNpolnilni dipoli na enoto prostornine. Zdaj razmišljate o velikem številu sosednjih dipolov, z rahlim pozitivnim nabojem na enem koncu vsakega dipola in rahlim negativnim nabojem na drugem koncu. (Rezultat tega jedipol-dipolatrakcije med + in - naboji v celotnih dipolih.)

Gostota dielektrične polarizacijePoznačuje koncentracijo dipolov v materialu kot vpliv električnega polja v njem:P= Nstr= Nqd.​

​Pje sorazmerna z jakostjo električnega polja, kot bi pričakovali. To razmerje dajeP​ = ε₀χ₀​E, kjer je ε₀ je električna konstanta in χ₀ je električna občutljivost.

Nekatere molekule so že naravno polarizirane. Te imenujemo polarne molekule. Primer polarne molekule je voda, ki je sestavljena iz dveh atomov vodika, vezanih na en atom kisika. H₂Sama molekula O je simetrična, saj jo lahko z ravnino, nameščeno med njimi v pravilni usmeritvi, razdelimo na enaki polovici.

Veze med vodikovimi atomi in kisikovimi atomi v isti molekuli so kovalentne vezi, vendar temed temi atomi v različnih molekulah vodese imenujejovodikove vezi. Elektroni, ki so v kovalentnih vezah med vodikom in kisikom, ležijo veliko bližje atomu kisika, zaradi česar je kisikov atom v H₂O elektronegativni in atomi vodika elektropozitivni. Nastalo nastajanje vodikovih vezi med sosednjimi molekulami je tako posledica polarnosti molekul, ki se širijo skozi celoten vzorec vode.

Če držite napolnjen predmet blizu tankega curka vode iz pipe (ki je prevodnik le zaradi prisotnost ionov in drugih nečistoč), lahko vidite, da se vodni tok zaradi tega vedno nekoliko premika proti predmetu ta učinek. To je zato, ker se molekule orientirajo tako, da konec molekule z nasprotnim nabojem kaže proti nabitemu predmetu.

Pojav ločevanja naboja se pri vodnikih zgodi nekoliko drugače kot pri dielektrikih. Namesto da molekule postanejo dipoli, se prosti elektroni premaknejo na eno stran materiala.

Steklena palica, ki je izolator, lahko zbira proste elektrone in se napolni, če jih povlečete po površini, kot je volna. (To je primer druge vrste prenosa stroškov,konali neposreden stik.) Če je v bližini krogle anelektroskopne da bi se ga dotaknili, bodo elektroni "odrinjeni" in se bodo prosto gibali po prevodnih površinah kroglice proti paru aluminijastih listov, ki visijo znotraj. Videli boste, da se listi med seboj odbijajo.

Upoštevajte, da je elektroskop v celoti še vedno električno nevtralen, vendar se naboj porazdeli drugače. "Bežanje" elektronov proti notranjim listom je uravnoteženo z usedanjem pozitivnih nabojev tam, kjer je palica blizu krogle.

Če bi dejanskodotiknapolnjena palica na kroglo, se bodo elektroni prenašali iz palice zaradi pozitivnih nabojev v bližini. Ko palico povlečete stran, bo elektroskop ostal napolnjen, negativni naboji pa se bodo enakomerno porazdelili po krogli.

Zdaj lahko vse to združite in opazujete, kaj se zgodi, ko napolnjeno palico postavite blizu vodnika, ki lahkotudibiti povezan s čim drugim. (Če napolnjeno palico približate prevodni krogli in jo odrgnete, da bi elektroni krogle v odgovor "zaplesali", lahko sčasoma postane dolgočasno.)

Predpostavimo, da imate napolnjeno izolacijsko palico in jo približate trdni prevodni krogli, ki je z zemljo povezana z izolacijskim stebrom. Čeprav so prejšnji odseki opisovali dipole z vidika posameznih molekul v dielektrikih, se isti pojav inducira "množično" v vodniku. Če je prevodnik krogla (krogla), bodo prevodnikovi elektroni pritekali na površino poloble nasproti konice palice.

Predstavljajte si, kaj se zgodi, če, medtem ko prijatelj drži palico od zgoraj, potisnete drugo, prav tako nevtralno prevodno kroglo proti prvi, neposredno nasproti postavitvi palice. Tam zbrani elektroni bodo izkoristili priložnost, da se odmaknejo še dlje od palice in njenih odbijajočih elektronov in se bodo premaknili na daljšo strantokrogla.

Zdaj lahko postanete kreativni. Če želite, da druga kroglica ostane napolnjena, preprosto potegnite obe kroglicimedtem ko je palica še vedno na svojem mestu(in s tem "moteče" pozitivne naboje). Elektroni bodo na koncu preneseni iz palice v drugo kroglo, kjer se bodo enakomerno porazdelili po njeni površini. Prva krogla se vrne v prvotno nevtralno in enakomerno stanje.

• Nesimetrični predmeti se igrajo po istih fizikalnih pravilih, vendar ni tako enostavno ugotoviti "natančnega" vedenja elektronov kot v kroglah.

Ste že kdaj razmišljali o čemozemljitvene žiceali kako delujejo? Zemlja velja za električno nevtralno, vendar je dovolj velika, da brez posledic absorbira odgovorna lokalna motenja. Zaradi tega lahko Zemlja deluje kot velik rezervoar ali pufer za polnjenje in po potrebi dovaja elektrone prek ozemljitvenih žic nevtralizirajte pozitivno naelektrene predmete ali jih sprejmete od negativno nabitih predmetov skozi žico v nasprotni smeri smer.

Torej, da bi preprečili neželeno napetost zaradi velikega kopičenja neto nabojev na velikih prevodnih predmetih, zemeljske žice ponujajo varnostno funkcijo v sodobnem električnem svetu.