Поларизација и електрична индукција: шта је то и како функционише? (са примерима)

Чак и ако сте нови у дисциплини физичке науке познатој као електромагнетизам, вероватно сте свесни да се слични набоји одбијају, а супротни набоји привлаче; то јест, позитиван набој ће привући негативни набој, али ће тежити да одбије још један позитиван набој, са истим једноставним правилом у обрнутом положају. (Ово је основа свакодневне изреке „супротности се привлаче“; да ли је ово истина у романтичној љубави можда је отворено питање, али то је сигурно случај када су у питању електрични набоји на атомима и молекулима.)

Можда, међутим, не знате да је могуће да се наелектрисани објекат привуче неутралном објекту - то јест, објекту без нето набоја. То је могуће кроз феноменполаризација наелектрисања, што објашњава чињеницу да молекули који су у целини електрично неутрални могу у себи да имају асиметричну расподелу наелектрисања. Аналогно томе, град може имати једнак број становника млађих од 40 и више од 40 година, али је њихова дистрибуција унутар граница града готово сигурно асиметрична.

• ​Молекулесу колекције од два или више атома који представљају најмању хемијску јединицу одређеног једињења; ови атоми могу представљати исти елемент, попут гаса кисеоника (О₂), или укључују више елемената, као код угљен-диоксида (ЦО₂).

Пренос електричног наелектрисања помоћуиндукција- што значи без директног додиривања предмета који размењују наелектрисања у облику слободних електрона - врти се око стратешког постављање проводника који су материјали кроз које струја лако протиче и изолатори који су материјали кроз које струја не може проток. Али више од тога, ослања се на поларизацију читавих предмета која потиче од поларизације њихових саставних молекула, а који се могу модулисати употребом електричног поља.

Слично начину на који су линеарне и ротационе једначине кретања аналогне једна другој, математика у основи ефеката анелектрично поље​ ​Е.деловање на тачкасто наелектрисање јако личи на описивање ефеката гравитационог поља које делује на тачкасте масе. Сила електричног поља дата је са

• Вектор електричног поља усмерен је у истом смеру као и вектор електричне силе кадакје позитиван. ЈединицеЕ.су њутни по кулону (Н / Ц).

Тачкасти набоји успостављају сопствена електрична поља. (Имајте на уму да „тачкасте“ наелектрисања могу бити било које величине и да ипак не смију бити замишљене као да заузимају било који волумен.) Израз за ово је:

гдекје константа 9 × 10⁹ Нм²/ Ц² ирје померање (растојање и смер) између наелектрисања и било које тачке у којој се поље процењује. Комбиновањем две главне једначине горе добијамо:

Ова веза је позната каоКулонов закон​.

Ако свако тачкасто наелектрисање успостави своје електрично поље, да ли је могуће имати једнообразно електрично поље - то јест, такво у којем величина и смерЕ.је исти? Из разлога које ћете видети, потребно је једнолико поље да би нето сила на диполу била нула.

Постављање две бесконачно велике проводне плоче паралелно једна другој и постављање изолационог материјала или диелектричног материјала између њих омогућава електрично поље које ће се генерисати ако се између њих успостави напон (разлика електричног потенцијала), на пример када су различите плоче причвршћене на а батерија.

Овај аранжман је приближан у производњикондензатори, који складиште електрични набој у круговима. Линије електричног поља су окомите на плоче и усмерене су на негативну плочу. Али како се на почетку накупљају наелектрисања на површинама ових јединица?

Нето електрична поља не могу постојати унутар проводника. То је зато што ће, ако се електрони могу слободно кретати, то чинити све док не буду у равнотежи, где је збир свих сила и обртних момената једнак нули, а пошто је Ф = кЕ,Е.мора бити нула. Другим речима, кретање слободних електрона у проводнику брише свако електрично поље које би постојало „изравнавањем“ померањем електрона.

Ситуација унутар изолатора је сасвим другачија. Сви атоми се састоје од позитивно наелектрисаног језгра окруженог електронским облаком. У присуству спољног електричног поља (можда узрокованог присуством наелектрисаног предмета), облаци електрона могу се померати, што резултирадиполни моменти нето електрична сила.

Иако у изолатору не постоји нето наелектрисање, ако се било који његов део узоркује, присуство диполних момената доводи до акумулације нето позитивног набоја на једној страни узорка и нето негативног наелектрисања на другој страни. Али наелектрисања се заправо не акумулирају на површини, као код проводника, због ограниченог кретања електрона у овим материјалима.

Поларизација се јавља када се електрони у неутрално наелектрисаном објекту померају у свом просечном положају у односу на протони, што је резултирало у два "кластера" електрона (подручја локализоване повећане електронске густине) по молекулу и диполу тренутак. Две оптужбе сукједнаке величине и супротне по предзнаку. У молекуларном диполу, степен поларизације одређује се електричном осетљивошћу материјала.стр= кд= диполни моменат аједнодипол у диелектричном материјалу.

Да бисте стекли осећај утицаја електричног пољаЕ.унутар изолатора у целини, узмите у обзир материјал запреминске густине дипола одН.дипол пуњења по јединици запремине. Сада разматрате велики број суседних дипола, са благим позитивним наелектрисањем на једном крају сваког дипола и благим негативним наелектрисањем на другом крају. (Ово резултира удипол-диполатракције између + и - наелектрисања у диполима од краја до краја.)

Густина диелектричне поларизацијеП.карактерише концентрацију дипола у материјалу као резултат утицаја електричног поља у њему:П.= Нстр= Нкд.​

​П.је пропорционалан јачини електричног поља, као што бисте очекивали. Овај однос дајеП.​ = ε₀χ₀​Е., где је ε₀ је електрична константа и χ₀ је електрична осетљивост.

Неки молекули су већ природно поларизовани. Они се зову поларни молекули. Пример поларног молекула је вода која се састоји од два атома водоника везана за један атом кисеоника. Тхе Х₂Сам молекул О је симетричан по томе што се може поделити на једнаке половине помоћу равни постављене између њих у правилној оријентацији.

Везе између атома водоника и атома кисеоника унутар истог молекула јесу ковалентне везе, али онеизмеђу ових атома у различитим молекулима водесе зовеводоничне везе. Електрони који се деле у ковалентним везама између водоника и кисеоника леже много ближе атому кисеоника, чинећи атом кисеоника у Х₂О електронегативни и атоми водоника електропозитивни. Резултант тога је стварање водоничних веза између суседних молекула последица је поларитета молекула, који се шири кроз цео узорак воде.

Ако напуњени предмет држите близу танког млаза воде из славине (која је проводник само због присуство јона и других нечистоћа), можете видети како се водени ток тако мало креће према објекту због овај ефекат. То је зато што се молекули оријентишу тако да крај молекула са супротним наелектрисањем показује према наелектрисаном објекту.

Феномен раздвајања наелектрисања дешава се мало другачије у проводницима него у диелектрицима. Уместо да молекули постану диполи, слободни електрони се индукују да се крећу на једну страну материјала.

Стаклена шипка, која је изолатор, може сакупљати слободне електроне и постати наелектрисана ако се пређе преко површине попут вуне. (Ово је пример друге врсте преноса наплате,цонканал или директан контакт.) Ако се негативно наелектрисана шипка приближи лоптиелектроскопбез додиривања, електрони ће се „одгурнути“ и слободно ће се кретати дуж проводних површина куглице ка пару алуминијумских листова који висе унутра. Видећете да се листови одбијају.

Имајте на уму да је електроскоп укупно још увек електрично неутралан, али се наелектрисање дистрибуира другачије. „Бекство“ електрона према листовима унутра уравнотежено је таложењем позитивних наелектрисања тамо где је штап близу сфере.

Кад бисте заправододирнитенаелектрисане шипке у куглу, електрони ће се пренети из шипке због позитивних наелектрисања у близини. Када повучете штап, електроскоп ће остати напуњен, али негативни набоји ће се равномерно распоредити по лопти.

Сада сте у ситуацији да све ово сложите и посматрате шта се дешава када напуњену шипку поставите близу проводника који можетакођебити повезан са нечим другим. (Приближавање наелектрисане шипке проводљивој сфери и извлачењем да би сопствени електрони сфере „заплесали“ у одговору може постати досадно након неког времена.)

Претпоставимо да имате наелектрисану изолациону шипку и приближите је чврстој проводној кугли која је изолационим постољем повезана са земљом. Иако су претходни одељци описивали диполе у ​​терминима појединачних молекула у диелектрицима, исти феномен се индукује „масовно“ у проводнику. Ако је проводник сфера (кугла), електрони проводника ће тећи на површину хемисфере насупрот врху штапа.

Замислите шта се дешава ако, док пријатељ држи штап одозго на месту, гурнете другу, такође неутралну проводну куглу према првој, тачно насупрот смештању штапа. Електрони окупљени тамо искористиће прилику да се одмакну још даље од штапа и његових одбијајућих електрона и преселиће се на даљу странуовосфера.

Сада можете бити креативни. Ако желите да друга лопта остане напуњена, једноставно раздвојите две куглицедок је штап још увек на месту(и тако „одвлачећи пажњу“ позитивних набоја). Електрони ће на крају бити пребачени са штапа у другу сферу, где ће се равномерно распоредити по његовој површини. Прва лопта се враћа у почетно неутрално и једнолично стање.

• Несиметрични објекти играју се по истим физичким правилима, али није тако лако одгонетнути „тачно“ понашање електрона као у случају сфера.

Јесте ли икад размишљали о чемууземљене жицераде или како раде? Земља се сматра електрички неутралном, али је довољно велика да без последица апсорбује задужене локалне пертурбације. Због тога Земља може деловати као огромни резервоар или пуфер, доводећи електроне по потреби кроз земаљске жице до неутралисати позитивно наелектрисане предмете, или их прихватајући од негативно наелектрисаних предмета кроз жицу у супротном правац.

Дакле, да би се спречио нежељени напон захваљујући знатној акумулацији нето наелектрисања на великим проводним објектима, уземљивачке жице нуде сигурносну функцију у високо електричном савременом свету.