โพลาไรซ์และการเหนี่ยวนำไฟฟ้า: มันคืออะไรและทำงานอย่างไร? (พร้อมตัวอย่าง)

แม้ว่าคุณจะยังใหม่ต่อสาขาวิชาวิทยาศาสตร์กายภาพที่เรียกว่าแม่เหล็กไฟฟ้า คุณก็น่าจะทราบดีว่าประจุที่เหมือนกันจะขับไล่และประจุที่ตรงกันข้ามจะดึงดูด กล่าวคือ ประจุบวกจะถูกดึงดูดไปยังประจุลบ แต่จะมีแนวโน้มที่จะขับไล่ประจุบวกอีกตัวหนึ่ง ด้วยกฎง่ายๆ เดียวกันที่ถือกลับกัน (นี่เป็นพื้นฐานของการพูดทุกวันว่า "ตรงกันข้ามดึงดูด"; ไม่ว่าจะเป็นเรื่องรัก ๆ ใคร่ ๆ หรือไม่อาจเป็นคำถามเปิด แต่แน่นอนว่าเป็นกรณีที่เกี่ยวกับประจุไฟฟ้าในอะตอมและโมเลกุล)

อย่างไรก็ตาม คุณอาจไม่ทราบว่าเป็นไปได้ที่วัตถุที่มีประจุจะถูกดึงดูดไปยังวัตถุที่เป็นกลาง นั่นคือวัตถุที่ไม่มีประจุสุทธิ เป็นไปได้โดยปรากฏการณ์ของโพลาไรซ์ประจุซึ่งคำนึงถึงความจริงที่ว่าโมเลกุลโดยรวมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าสามารถมีการกระจายประจุแบบอสมมาตรอยู่ภายในได้ โดยการเปรียบเทียบ เมืองอาจมีจำนวนผู้อยู่อาศัยที่อายุต่ำกว่า 40 ปีและมากกว่า 40 คนเท่ากัน แต่การกระจายตัวภายในเขตชายแดนของเมืองนั้นเกือบจะไม่สมดุลอย่างแน่นอน

• ​โมเลกุลคือกลุ่มของอะตอมตั้งแต่สองอะตอมขึ้นไปซึ่งเป็นตัวแทนของหน่วยเคมีที่เล็กที่สุดของสารประกอบเฉพาะ อะตอมเหล่านี้สามารถเป็นตัวแทนของธาตุเดียวกันได้ เช่น ก๊าซออกซิเจน (O₂) หรือรวมหลายองค์ประกอบ เช่นเดียวกับคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂).

การโอนค่าไฟฟ้าโดยการเหนี่ยวนำ– ความหมายโดยไม่ต้องสัมผัสโดยตรงกับวัตถุที่มีการแลกเปลี่ยนประจุในรูปของอิเล็กตรอนอิสระ – หมุนรอบยุทธศาสตร์ ตำแหน่งของตัวนำซึ่งเป็นวัสดุที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ และฉนวนซึ่งเป็นวัสดุที่กระแสไม่สามารถผ่านได้ ไหล. แต่ยิ่งไปกว่านั้น มันอาศัยโพลาไรเซชันของวัตถุทั้งหมดที่เกิดจากโพลาไรเซชันของโมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบ ซึ่งสามารถมอดูเลตได้ด้วยการใช้สนามไฟฟ้า

คล้ายกับวิธีที่สมการเชิงเส้นและการหมุนของสมการการเคลื่อนที่มีความคล้ายคลึงกัน คณิตศาสตร์ที่อยู่ภายใต้ผลกระทบของ anสนามไฟฟ้า​ ​อีการกระทำกับประจุแบบจุดนั้นมีความคล้ายคลึงอย่างมากกับการอธิบายผลกระทบของสนามโน้มถ่วงที่กระทำต่อมวลจุด แรงของสนามไฟฟ้าถูกกำหนดโดย

• เวกเตอร์สนามไฟฟ้าชี้ไปในทิศทางเดียวกับเวกเตอร์แรงไฟฟ้าเมื่อqเป็นบวก หน่วยของอีคือ นิวตันต่อคูลอมบ์ (N/C)

ประจุจุดสร้างสนามไฟฟ้าของตัวเอง (โปรดจำไว้ว่าประจุ "จุด" สามารถมีขนาดใดก็ได้และยังไม่สามารถคิดเป็นปริมาตรใด ๆ ได้) นิพจน์สำหรับสิ่งนี้คือ:

ที่ไหนkเป็นค่าคงที่ 9 ×10⁹ นม²/ค² และrคือการกระจัด (ระยะทางและทิศทาง) ระหว่างประจุและจุดใด ๆ ที่มีการประเมินสนาม การรวมสมการหลักสองสมการข้างต้นจะทำให้:

ความสัมพันธ์นี้เรียกว่ากฎของคูลอมบ์​.

หากประจุแต่ละจุดสร้างสนามไฟฟ้าของตัวเอง เป็นไปได้ไหมที่จะมีสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ นั่นคือสนามไฟฟ้าที่มีขนาดและทิศทางของอีเหมือนกัน? ด้วยเหตุผลที่คุณเห็น ต้องใช้สนามสม่ำเสมอเพื่อให้แรงสุทธิบนไดโพลเป็นศูนย์

การวางแผ่นนำไฟฟ้าขนาดใหญ่สองแผ่นขนานกันและวางวัสดุฉนวนหรือวัสดุไดอิเล็กทริกไว้ระหว่างกันช่วยให้ สนามไฟฟ้าจะเกิดขึ้นหากมีการสร้างแรงดันไฟฟ้า (ความต่างศักย์ไฟฟ้า) ระหว่างกัน เช่น เมื่อติดเพลตต่าง ๆ เข้ากับ a แบตเตอรี่.

ข้อตกลงนี้เป็นการประมาณในการผลิตของตัวเก็บประจุซึ่งเก็บประจุไฟฟ้าไว้ในวงจร เส้นสนามไฟฟ้าตั้งฉากกับเพลตและชี้ไปที่เพลตลบ แต่ประจุจะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของหน่วยเหล่านี้ได้อย่างไร

สนามไฟฟ้าสุทธิไม่สามารถอยู่ภายในตัวนำได้ นั่นเป็นเพราะว่า หากอิเล็กตรอนมีอิสระในการเคลื่อนที่ พวกมันจะทำอย่างนั้นจนกว่าพวกมันจะอยู่ในสภาวะสมดุล โดยที่ผลรวมของแรงและแรงบิดทั้งหมดเป็นศูนย์ และเนื่องจาก F = qEอีจะต้องเป็นศูนย์ กล่าวอีกนัยหนึ่งการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำจะลบล้างสนามไฟฟ้าที่มีอยู่โดย "ปรับระดับ" ผ่านการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอน

สถานการณ์ภายในฉนวนนั้นแตกต่างกันมาก อะตอมทั้งหมดประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกล้อมรอบด้วยเมฆอิเล็กตรอน ในการปรากฏตัวของสนามไฟฟ้าภายนอก (อาจเกิดจากการมีอยู่ของวัตถุที่มีประจุ) เมฆอิเล็กตรอนสามารถเลื่อนได้ส่งผลให้โมเมนต์ไดโพลและแรงไฟฟ้าสุทธิ

ถึงแม้ว่าจะไม่มีประจุสุทธิในฉนวน แต่หากมีการสุ่มตัวอย่างส่วนใดส่วนหนึ่ง ก็แสดงว่ามีโมเมนต์ไดโพลอยู่ด้วย นำไปสู่การสะสมของประจุบวกสุทธิที่ด้านหนึ่งของตัวอย่างและประจุลบสุทธิอีกด้านหนึ่ง ด้าน. แต่ประจุไม่ได้สะสมบนพื้นผิวจริง ๆ เช่นเดียวกับตัวนำ เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในวัสดุเหล่านี้มีจำกัด

โพลาไรเซชันเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนภายในวัตถุที่มีประจุเป็นกลางเปลี่ยนตำแหน่งเฉลี่ยเมื่อเทียบกับ โปรตอน ส่งผลให้เกิด "คลัสเตอร์" ของอิเล็กตรอน 2 กลุ่ม (พื้นที่ที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นเฉพาะที่) ต่อโมเลกุลและไดโพล ช่วงเวลา ค่าธรรมเนียมทั้งสองคือqมีขนาดเท่ากันและตรงข้ามในเครื่องหมาย ในโมเลกุลไดโพล ขอบเขตของโพลาไรซ์จะถูกกำหนดโดยความไวทางไฟฟ้าของวัสดุพี= qd= โมเมนต์ไดโพลของ aโสดไดโพลในวัสดุอิเล็กทริก

เพื่อให้เข้าใจถึงผลกระทบของสนามไฟฟ้าอีภายในฉนวนโดยรวม ให้พิจารณาวัสดุที่มีความหนาแน่นของไดโพลเท่ากับนู๋ประจุไดโพลต่อหน่วยปริมาตร ขณะนี้คุณกำลังพิจารณาไดโพลที่อยู่ติดกันจำนวนมาก โดยมีประจุบวกเล็กน้อยที่ปลายด้านหนึ่งของไดโพลแต่ละอัน และประจุลบเล็กน้อยที่ปลายอีกด้านหนึ่ง (ส่งผลให้ไดโพล-ไดโพลแรงดึงดูดระหว่าง + และ – ชาร์จในไดโพลแบบ end-to-end)

ความหนาแน่นของโพลาไรซ์ไดอิเล็กตริกพีกำหนดลักษณะความเข้มข้นของไดโพลในวัสดุอันเป็นผลมาจากอิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายใน:พี= นพี= Nqง.​

​พีเป็นสัดส่วนกับความแรงของสนามไฟฟ้าอย่างที่คุณคาดไว้ ความสัมพันธ์นี้มอบให้โดยพี​ = ε₀χ₀​อีที่ไหน ε₀ คือค่าคงที่ไฟฟ้าและ χ₀ คือความอ่อนไหวทางไฟฟ้า

โมเลกุลบางตัวมีโพลาไรซ์ตามธรรมชาติอยู่แล้ว สิ่งเหล่านี้เรียกว่าโมเลกุลขั้ว ตัวอย่างของโมเลกุลมีขั้วคือน้ำ ซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนสองอะตอมที่ถูกพันธะกับอะตอมออกซิเจนตัวเดียว เดอะ โฮ₂โมเลกุล O นั้นมีความสมมาตรโดยที่มันสามารถแบ่งออกเป็นครึ่งเท่า ๆ กันโดยระนาบที่วางไว้ระหว่างพวกมันในแนวที่ถูกต้อง

พันธะระหว่างอะตอมของไฮโดรเจนกับอะตอมของออกซิเจนภายในโมเลกุลเดียวกันนั้นเป็นพันธะโควาเลนต์ แต่สิ่งเหล่านี้ระหว่างอะตอมเหล่านี้ในโมเลกุลของน้ำต่างๆเรียกว่าพันธะไฮโดรเจน. อิเล็กตรอนร่วมในพันธะโควาเลนต์ระหว่างไฮโดรเจนกับออกซิเจนอยู่ใกล้อะตอมออกซิเจนมากขึ้น ทำให้อะตอมออกซิเจนใน H₂O อิเล็กโตรเนกาทีฟและอะตอมไฮโดรเจนอิเล็กโตรโพซิทีฟ การเกิดพันธะไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลที่อยู่ติดกันจึงเป็นผลมาจากขั้วของโมเลกุลซึ่งแพร่กระจายผ่านตัวอย่างน้ำทั้งหมด

หากคุณถือวัตถุที่มีประจุอยู่ใกล้กระแสน้ำบาง ๆ จากก๊อกน้ำ (ซึ่งเป็นตัวนำเนื่องจาก .เท่านั้น การปรากฏตัวของไอออนและสิ่งเจือปนอื่น ๆ ) คุณสามารถเห็นกระแสน้ำเคลื่อนตัวเข้าหาวัตถุเล็กน้อยเนื่องจาก ผลกระทบนี้ เนื่องจากโมเลกุลจะปรับทิศทางตัวเองจนปลายโมเลกุลที่มีประจุตรงข้ามชี้ไปที่วัตถุที่มีประจุ

ปรากฏการณ์ของการแยกประจุเกิดขึ้นแตกต่างกันเล็กน้อยในตัวนำมากกว่าในไดอิเล็กทริก แทนที่จะให้โมเลกุลกลายเป็นไดโพล อิเล็กตรอนอิสระจะถูกเหนี่ยวนำให้เคลื่อนที่ไปด้านหนึ่งของวัสดุ

แท่งแก้วซึ่งเป็นฉนวน สามารถเก็บอิเลคตรอนอิสระและกลายเป็นประจุไฟฟ้าได้หากลากผ่านพื้นผิว เช่น ขนสัตว์ (นี่คือตัวอย่างการโอนค่าธรรมเนียมประเภทอื่นคอนการเหนี่ยวนำหรือการสัมผัสโดยตรง) หากนำแท่งที่มีประจุลบมาใกล้ลูกบอลของ anอิเล็กโทรสโคปโดยไม่ต้องสัมผัสอิเล็กตรอนจะถูก "ผลักออกไป" และพวกมันจะเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวนำของลูกบอลอย่างอิสระไปยังคู่ของใบอลูมิเนียมที่ห้อยอยู่ข้างใน คุณจะเห็นใบไม้ขับไล่กัน

โปรดทราบว่าอิเล็กโทรสโคปยังคงเป็นกลางทางไฟฟ้าทั้งหมด แต่ประจุมีการกระจายต่างกัน "การหลบหนี" ของอิเล็กตรอนไปทางใบไม้ภายในจะสมดุลโดยการตกตะกอนของประจุบวกที่แกนอยู่ใกล้กับทรงกลม

ถ้าคุณเป็นจริงๆสัมผัสแท่งที่มีประจุไปยังลูกบอลอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจากแท่งเนื่องจากประจุบวกในบริเวณใกล้เคียง เมื่อคุณดึงคันเบ็ดออกไป อิเล็กโทรสโคปจะยังคงมีประจุอยู่ แต่ประจุลบจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งลูกบอล

ตอนนี้ คุณอยู่ในฐานะที่จะรวมสิ่งเหล่านี้เข้าด้วยกัน และสังเกตว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณวางแท่งที่มีประจุไว้ใกล้กับตัวนำที่อาจยังเชื่อมต่อกับสิ่งอื่น (การนำแท่งที่มีประจุเข้าไปใกล้กับทรงกลมนำไฟฟ้าและดึงออกเพื่อให้อิเล็กตรอนของทรงกลมนั้น "เต้น" ในการตอบสนองอาจน่าเบื่อเมื่อเวลาผ่านไป)

สมมติว่าคุณมีแท่งฉนวนที่มีประจุไฟฟ้า และคุณนำแท่งฉนวนมาไว้ใกล้กับทรงกลมนำแข็งที่เชื่อมต่อกับพื้นด้วยเสาฉนวน แม้ว่าส่วนก่อนหน้านี้จะอธิบายไดโพลในแง่ของโมเลกุลแต่ละโมเลกุลในไดอิเล็กทริก แต่ปรากฏการณ์เดียวกันนี้ก็ถูกเหนี่ยวนำให้เกิด "มวล" ในตัวนำผ่านการเหนี่ยวนำ ถ้าตัวนำเป็นทรงกลม (ball) อิเล็กตรอนของตัวนำจะไหลไปยังพื้นผิวของซีกโลกตรงข้ามกับปลายแท่ง

ลองนึกภาพว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าในขณะที่เพื่อนถือไม้เท้าจากด้านบนเข้าที่ คุณเลื่อนลูกบอลนำไฟฟ้าที่เป็นกลางเป็นวินาทีขึ้นมาปะทะลูกแรกตรงข้ามกับตำแหน่งไม้เท้าโดยตรง อิเล็กตรอนที่รวมตัวกันที่นั่นจะฉวยโอกาสให้ห่างจากแท่งและอิเล็กตรอนที่ขับไล่ออกไปได้ไกลยิ่งขึ้นไปอีก และจะเคลื่อนไปทางด้านไกลของนี้ทรงกลม

ตอนนี้คุณสามารถสร้างสรรค์ได้ หากคุณต้องการให้ลูกบอลลูกที่สองยังคงชาร์จอยู่ ให้ดึงทั้งสองลูกออกจากกันขณะที่ไม้เรียวยังอยู่ที่(และทำให้ "เสียสมาธิ" ประจุบวก) ในที่สุดอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจากแกนไปยังทรงกลมที่สองซึ่งพวกมันจะกระจายตัวทั่วพื้นผิวของมันอย่างเท่าเทียมกัน ลูกบอลลูกแรกจะกลับสู่สภาพเดิมและสม่ำเสมอ

• วัตถุที่ไม่สมมาตรเล่นตามกฎทางกายภาพเดียวกัน แต่ก็ไม่ง่ายที่จะเข้าใจพฤติกรรม "ที่แน่นอน" ของอิเล็กตรอนเหมือนในกรณีของทรงกลม

คุณเคยคิดบ้างไหมว่าสายดินทำอย่างไรหรือทำงานอย่างไร โลกถือว่าเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่ก็กว้างพอที่จะดูดซับสิ่งรบกวนในพื้นที่ได้โดยไม่มีผลกระทบ ด้วยเหตุนี้ โลกจึงสามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บขนาดใหญ่หรือบัฟเฟอร์ประจุไฟฟ้า โดยส่งอิเล็กตรอนตามความจำเป็นผ่านสายกราวด์ไปยัง ทำให้วัตถุที่มีประจุบวกเป็นกลาง หรือรับจากวัตถุที่มีประจุลบผ่านลวดในทางตรงข้าม ทิศทาง.

ดังนั้น เพื่อป้องกันแรงดันไฟที่ไม่ต้องการด้วยการสะสมของประจุสุทธิบนวัตถุนำไฟฟ้าขนาดใหญ่ สายกราวด์จึงมีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยในโลกสมัยใหม่ที่มีไฟฟ้าแรงสูง