Polarisering och elektrisk induktion: Vad är det och hur fungerar det? (w / Exempel)

Även om du är ny inom ämnet inom naturvetenskap som kallas elektromagnetism, är du troligen medveten om att likadana laddningar stöter bort och motsatta laddningar lockar; det vill säga en positiv laddning kommer att attraheras av en negativ laddning men tenderar att avvisa en annan positiv laddning, med samma enkla regel som håller omvänd. (Detta är grunden för det dagliga ordspråket "motsatser lockar"; om detta är sant i romantik är kanske en öppen fråga, men det är verkligen fallet när det gäller elektriska laddningar på atomer och molekyler.)

Du kanske dock inte vet att det är möjligt för ett laddat objekt att lockas till ett neutralt objekt - det vill säga ett objekt utan nettoladdning. Detta är möjligt genom fenomenetladdningspolarisering, vilket står för det faktum att molekyler som totalt sett är elektriskt neutrala kan ha en asymmetrisk laddningsfördelning inom sig. Som en analogi kan en stad ha lika många invånare under 40 och över 40, men deras fördelning inom stadens gränser är nästan säkert asymmetrisk.

• ​Molekylerär samlingar av två eller flera atomer som representerar den minsta kemiska enheten i en viss förening; dessa atomer kan representera samma element, såsom syrgas (O₂), eller inkludera flera element, som med koldioxid (CO₂).

Överföringen av elektrisk laddning medinduktion- menande utan direkt beröring av objekten som byter laddningar i form av fria elektroner - kretsar kring det strategiska placering av ledare, vilket är material genom vilket ström strömmar lätt, och isolatorer, som är material genom vilka ström inte kan flöde. Men mer än så är det beroende av polarisationen av hela objekt som härrör från polarisationen av deras beståndsdelar, som kan moduleras med användning av ett elektriskt fält.

På samma sätt som de linjära och roterande rörelseekvationerna är analoga med varandra, ligger matematiken bakom effekterna av enelektriskt fält​ ​Eagerar på punktladdningar liknar starkt det som beskriver effekterna av ett gravitationsfält som verkar på punktmassor. Kraften i ett elektriskt fält ges av

• Den elektriska fältvektorn pekar i samma riktning som den elektriska kraftvektorn gör närqär positivt. Enheterna iEär newton per coulomb (N / C).

Punktavgifter skapar sina egna elektriska fält. (Kom ihåg att "punkt" -laddningar kan ha vilken storlek som helst och fortfarande inte uppfattas som att de tar upp någon volym.) Uttrycket för detta är:

varkär konstant 9 × 10⁹ Nm²/ C² ochrär förskjutningen (avstånd och riktning) mellan laddningen och varje punkt vid vilken fältet bedöms. Att kombinera de två huvudekvationerna ovan ger:

Detta förhållande är känt somCoulombs lag​.

Om varje punktladdning etablerar sitt eget elektriska fält, är det möjligt att ha ett enhetligt elektriskt fält - det vill säga ett i vilket storleken och riktningen avEär samma? Av skäl som du ser krävs ett enhetligt fält för att nettokraften på en dipol ska vara noll.

Att placera två oändligt stora ledande plattor parallellt med varandra och placera ett isolerande material eller dielektriskt material mellan dem möjliggör en ett elektriskt fält som ska genereras om en spänning (elektrisk potentialskillnad) upprättas mellan dem, till exempel när de olika plattorna är fästa på en batteri.

Detta arrangemang approximeras vid tillverkningen avkondensatorer, som lagrar elektrisk laddning i kretsar. De elektriska fältlinjerna är vinkelräta mot plattorna och pekar mot den negativa plattan. Men hur byggs laddningar på ytorna på dessa enheter till att börja med?

Elektriska nätfält kan inte existera inuti ledare. Detta beror på att om elektroner är fria att röra sig, kommer de att göra det tills de är i jämvikt, där summan av alla krafter och vridmoment är noll, och eftersom F = qE,Emåste vara noll. Med andra ord utplånar rörelsen av fria elektroner i en ledare alla elektriska fält som skulle existera genom att "utjämna den" via en elektronförskjutning.

Situationen inom isolatorer är helt annorlunda. Alla atomer består av en positivt laddad kärna omgiven av ett elektronmoln. I närvaro av ett externt elektriskt fält (kanske orsakat av närvaron av ett laddat objekt) kan elektronmolnen skifta, vilket resulterar i endipolmomentoch en nettokraft.

Även om det inte finns någon nettoladdning i en isolator, om någon del av den samplas, närvaron av dipolmoment leder till ackumulering av nettopositiv laddning på ena sidan av provet och en negativ negativ laddning på den andra sida. Men laddningar ackumuleras faktiskt inte på ytan, som med ledare, på grund av den begränsade rörelsen av elektroner i dessa material.

Polarisering inträffar när elektronerna inom ett neutralt laddat objekt förskjuter sin genomsnittliga position i förhållande till protoner, vilket resulterar i två "kluster" av elektroner (områden med lokaliserad ökad elektrontäthet) per molekyl och en dipol ögonblick. De två anklagelserna ärqlika stor och motsatt i tecken. I en molekylär dipol bestäms polarisationsgraden av materialets elektriska känslighet.sid= qd= dipolmomentet för aendadipol i ett dielektriskt material.

Att få en känsla av effekten av det elektriska fältetEinuti isolatorn som helhet, överväga ett material med en dipolvolymdensitet påNladda dipoler per volymenhet. Du överväger nu ett stort antal intilliggande dipoler, med en liten positiv laddning i ena änden av varje dipol och en liten negativ laddning i den andra änden. (Detta resulterar idipol-dipolattraktioner mellan + och - avgifter i end-to-end dipoles.)

Den dielektriska polarisationsdensitetenPkarakteriserar koncentrationen av dipoler i materialet som ett resultat av påverkan av det elektriska fältet inom det:P= Nsid= Nqd.​

​Pär proportionell mot styrkan i det elektriska fältet, som du förväntar dig. Detta förhållande ges avP​ = ε₀χ₀​Edär ε₀ är den elektriska konstanten och χ₀ är den elektriska känsligheten.

Vissa molekyler är redan naturligt polariserade. Dessa kallas polära molekyler. Ett exempel på polär molekyl är vatten, som består av två väteatomer bundna till en enda syreatom. H₂Själva O-molekylen är symmetrisk genom att den kan delas i lika stora halvor av ett plan placerat mellan dem i rätt orientering.

Bindningarna mellan väteatomer och syreatomer inom samma molekyl är kovalenta bindningar, men demellan dessa atomer i olika vattenmolekylerkallasvätebindningar. Elektronerna som delas i kovalenta bindningar mellan väte och syre ligger mycket närmare syreatomen, vilket gör syreatomen i H₂O elektronegativa och väteatomerna elektropositiva. Den resulterande bildningen av vätebindningar mellan intilliggande molekyler är således en följd av molekylernas polaritet, som fortplantas genom hela vattenprovet.

Om du håller ett laddat föremål nära en tunn vattenström från en kran (som är en ledare som bara beror på närvaron av joner och andra orenheter), kan du se vattenströmmen röra sig någonsin så lite mot objektet pga denna effekt. Detta beror på att molekylerna orienterar sig så att slutet av molekylen med motsatt laddning pekar mot det laddade objektet.

Fenomenet med laddningsseparation händer lite annorlunda i ledare än i dielektrikum. Istället för att molekyler blir dipoler, induceras fria elektroner att röra sig till ena sidan av materialet.

En glasstång, som är en isolator, kan samla fria elektroner och laddas om den sveps över en yta som ull. (Detta är ett exempel på en annan typ av överföring av avgifter,luraeller direktkontakt.) Om en negativt laddad stång förs nära en bollelektroskoputan att röra vid den kommer elektroner att "skjutas bort" och de kommer att röra sig fritt längs kulans ledande ytor mot paret av aluminiumblad som hänger inuti. Du kommer att se bladen stöta på varandra.

Observera att elektroskopet fortfarande är elektriskt neutralt totalt, men laddningen fördelas annorlunda. Elektronernas "fly" mot bladen inuti balanseras genom att positiva laddningar sätter sig där stången ligger nära sfären.

Om du faktiskt skulle göra detRörden laddade stången till bollen kommer elektroner att överföras från staven på grund av de positiva laddningarna i närheten. När du drar bort staven kommer elektroskopet att förbli laddat, men de negativa laddningarna fördelar sig jämnt genom bollen.

Nu är du i stånd att sätta ihop allt detta och observera vad som händer när du placerar en laddad stång nära en ledare som kanocksåvara kopplad till något annat. (Att föra en laddad stång nära en ledande sfär och ta bort den för att få sfärens egna elektroner att "dansa" som svar kan bli tråkiga efter en tid.)

Antag att du har en laddad isoleringsstång och att du tar den nära en solid ledande sfär som är ansluten till marken med en isolerande stolpe. Även om tidigare avsnitt har beskrivit dipoler i termer av enskilda molekyler i dielektrikum, induceras samma fenomen "en massa" i en ledare via induktion. Om ledaren är en sfär (boll) kommer ledarens elektroner att flyta till ytan på halvklotet mittemot spetsen på stången.

Föreställ dig vad som händer om du, medan en vän håller stången uppifrån på plats, skjuter en andra, även neutral ledande boll upp mot den första, mittemot stångplaceringen. De elektroner som samlats där kommer att ta tillfället i akt att komma ännu längre bort från stången och dess avstötande elektroner och kommer att flytta till den bortre sidan avdettasfär.

Nu kan du bli kreativ. Om du vill att den andra bollen ska förbli laddad, helt enkelt dra isär de två bollarnamedan stången fortfarande är på plats(och därmed "distraherande" positiva laddningar). Elektroner kommer i slutändan att ha överförts från staven till den andra sfären, där de fördelar sig jämnt över dess yta. Den första bollen återgår till sitt ursprungliga neutrala och enhetliga tillstånd.

• Icke-symmetriska föremål spelar med samma fysiska regler, men det är inte lika lätt att räkna ut elektronernas "exakta" beteende som när det gäller sfärer.

Har du någonsin funderat över vad?jordledningargör, eller hur de fungerar? Jorden anses vara elektriskt neutral, men den är tillräckligt stor för att absorbera lokala störningar utan kostnad. På grund av detta kan jorden fungera som en stor reservoar eller laddningsbuffert och leverera elektroner efter behov genom jordledningar till neutralisera positivt laddade föremål, eller acceptera dem från negativt laddade föremål genom kabeln i motsatsen riktning.

Så, för att förhindra oönskad spänning tack vare den stora ansamlingen av nettoladdningar på stora ledande föremål, erbjuder jordledningar en säkerhetsfunktion i en mycket elektrisk modern värld.