Polarizasyon ve Elektrik İndüksiyonu: Nedir ve Nasıl Çalışır? (Örneklerle birlikte)

Elektromanyetizma olarak bilinen fizik bilimi disiplininde yeni olsanız bile, benzer yüklerin birbirini ittiğini ve zıt yüklerin birbirini çektiğini muhtemelen biliyorsunuzdur; yani, pozitif bir yük negatif bir yüke çekilecek, ancak aynı basit kuralın tersini koruyarak başka bir pozitif yükü itme eğiliminde olacaktır. (Bu, "zıtlar birbirini çeker" deyişinin temelidir; Bunun romantizmde doğru olup olmadığı belki de açık bir sorudur, ancak atomlar ve moleküller üzerindeki elektrik yükleri söz konusu olduğunda kesinlikle durum böyledir.)

Bununla birlikte, yüklü bir nesnenin nötr bir nesneye, yani net yükü olmayan bir nesneye çekilmesinin mümkün olduğunu bilmiyor olabilirsiniz. Bu fenomen aracılığıyla mümkündür.şarj polarizasyonuBu, genel olarak elektriksel olarak nötr olan moleküllerin içlerinde asimetrik bir yük dağılımına sahip olabileceği gerçeğini açıklar. Benzetme yoluyla, bir şehirde eşit sayıda 40 yaş altı ve 40 yaş üstü sakinleri olabilir, ancak bunların şehir sınırları içindeki dağılımı neredeyse kesinlikle asimetriktir.

• ​moleküllerbelirli bir bileşiğin en küçük kimyasal birimini temsil eden iki veya daha fazla atomun topluluklarıdır; bu atomlar, oksijen gazı gibi aynı elementi temsil edebilir (O₂) veya karbon dioksit (CO₂).

Elektrik yükünün aktarımıindüksiyon- serbest elektronlar şeklinde yük alışverişinde bulunan nesnelere doğrudan dokunmadan anlamına gelir - stratejik etrafında döner içinden akımın kolayca aktığı malzemeler olan iletkenlerin ve içinden akımın geçemediği malzemeler olan yalıtkanların yerleştirilmesi akış. Ancak bundan daha fazlası, bir elektrik alanı kullanılarak modüle edilebilen, bileşen moleküllerinin polarizasyonundan kaynaklanan tüm nesnelerin polarizasyonuna dayanır.

Lineer ve rotasyonel hareket denklemlerinin birbirine benzer olmasına benzer şekilde, birElektrik alanı​ ​Enokta yükler üzerinde hareket etmek, nokta kütleler üzerinde hareket eden bir yerçekimi alanının etkilerini tanımlamaya çok benzer. Bir elektrik alanın kuvveti ile verilir

• Elektrik alan vektörü, elektrik kuvvet vektörü ile aynı yönü gösterir.qolumlu. birimleriECoulomb başına Newton'dur (N/C).

Nokta yükler kendi elektrik alanlarını oluşturur. ("Nokta" yüklerin herhangi bir büyüklüğe sahip olabileceğini ve yine de herhangi bir hacim kapladığı düşünülmediğini unutmayın.) Bunun ifadesi:

neredeksabit 9 × 10⁹ Nm²/C² veryük ile alanın değerlendirildiği herhangi bir nokta arasındaki yer değiştirmedir (mesafe ve yön). Yukarıdaki iki temel denklemin birleştirilmesi şunları verir:

Bu ilişki olarak bilinirCoulomb yasası​.

Her nokta yük kendi elektrik alanını oluşturuyorsa, düzgün bir elektrik alana sahip olmak mümkün müdür?Eaynı mı? Göreceğiniz nedenlerden dolayı, bir dipol üzerindeki net kuvvetin sıfır olması için düzgün bir alan gereklidir.

Sonsuz büyüklükte iki iletken plakanın birbirine paralel yerleştirilmesi ve aralarına bir yalıtkan malzeme veya dielektrik malzeme yerleştirilmesi, Aralarında bir voltaj (elektrik potansiyeli farkı) oluşursa, örneğin farklı plakaların bir pil.

Bu düzenleme, imalatında yaklaşık olarakkapasitörler, elektrik yükünü devrelerde depolayan. Elektrik alan çizgileri plakalara diktir ve negatif plakayı gösterir. Ancak, başlangıçta bu birimlerin yüzeylerinde yükler nasıl oluşur?

İletkenlerin içinde net elektrik alanları olamaz. Bunun nedeni, eğer elektronlar hareket etmekte serbestlerse, tüm kuvvetlerin ve torkların toplamının sıfır olduğu dengede olana kadar hareket edeceklerdir ve F = qE olduğundan,Esıfır olmalıdır. Başka bir deyişle, bir iletkendeki serbest elektronların hareketi, elektronlardaki bir kayma yoluyla "onu düzleştirerek" var olabilecek herhangi bir elektrik alanını yok eder.

İzolatörlerin içindeki durum oldukça farklıdır. Tüm atomlar, bir elektron bulutu ile çevrili pozitif yüklü bir çekirdekten oluşur. Harici bir elektrik alanının varlığında (belki de yüklü bir nesnenin varlığından kaynaklanır), elektron bulutları kayabilir, bu da birdipol momentive net bir elektrik kuvveti.

Bir yalıtkanda net yük olmamasına rağmen herhangi bir kısmı örneklenirse dipol momentlerin varlığı örneğin bir tarafında net pozitif yükün ve diğer tarafında net negatif yükün birikmesine yol açar. yan. Ancak, bu malzemelerdeki elektronların sınırlı hareketi nedeniyle, iletkenlerde olduğu gibi, yükler yüzeyde aslında birikmez.

Polarizasyon, nötr yüklü bir nesne içindeki elektronlar, ortalama konumlarını nesneye göre değiştirdiğinde meydana gelir. protonlar, molekül başına iki elektron "kümesi" (lokalize artan elektron yoğunluğu alanları) ve bir dipol ile sonuçlanır. an. İki suçlamaqbüyüklük olarak eşit ve işaret olarak zıt. Moleküler bir dipolde, polarizasyonun kapsamı, malzemenin elektriksel duyarlılığı tarafından belirlenir.p= qd= a'nın dipol momentitekDielektrik bir malzemede dipol.

Elektrik alanın etkisini anlamak içinEyalıtkanın içinde bir bütün olarak, dipol hacim yoğunluğuna sahip bir malzeme düşünün.Nbirim hacim başına şarj dipolleri. Şimdi, her bir dipolün bir ucunda hafif bir pozitif yük ve diğer ucunda hafif bir negatif yük bulunan çok sayıda bitişik dipol düşünüyorsunuz. (Bunun sonucudipol-dipol+ ve – arasındaki çekimler uçtan uca dipollerde yüklenir.)

dielektrik polarizasyon yoğunluğuPiçindeki elektrik alanın etkisinin bir sonucu olarak malzemedeki dipol konsantrasyonunu karakterize eder:P= Np= Nqd.​

​Pbeklediğiniz gibi, elektrik alanın gücüyle orantılıdır. Bu ilişki tarafından verilirP​ = ε₀χ₀​E, nerede₀ elektrik sabitidir ve χ₀ elektriksel duyarlılıktır.

Bazı moleküller zaten doğal olarak polarizedir. Bunlara polar moleküller denir. Polar molekülün bir örneği, tek bir oksijen atomuna bağlı iki hidrojen atomundan oluşan sudur. H₂O molekülünün kendisi simetriktir, çünkü aralarında doğru yönde yerleştirilmiş bir düzlem tarafından eşit yarıya bölünebilir.

Aynı molekül içindeki hidrojen atomları ile oksijen atomları arasındaki bağlar kovalent bağlardır, ancak bunlarfarklı su moleküllerinde bu atomlar arasındaarandıhidrojen bağları. Hidrojen ve oksijen arasındaki kovalent bağlarda paylaşılan elektronlar, oksijen atomuna çok daha yakındır ve oksijen atomunu H'de yapar.₂O elektronegatif ve hidrojen atomları elektropozitif. Bitişik moleküller arasında sonuçta oluşan hidrojen bağlarının oluşumu, bu nedenle, tüm su numunesi boyunca yayılan moleküllerin polaritesinin bir sonucudur.

Bir musluktan gelen ince bir su akışının yakınında yüklü bir nesne tutarsanız (bu, yalnızca iyonların ve diğer yabancı maddelerin varlığı), su akışının nesneye doğru çok az hareket ettiğini görebilirsiniz. bu etki. Bunun nedeni, moleküllerin kendilerini, zıt yüklü molekülün ucunun yüklü nesneyi gösterecek şekilde yönlendirmesidir.

Yük ayrımı olgusu, iletkenlerde dielektriklerden biraz farklı gerçekleşir. Moleküllerin dipol haline gelmesi yerine, serbest elektronların malzemenin bir tarafına hareket etmesi sağlanır.

Yalıtkan olan bir cam çubuk, yün gibi bir yüzey boyunca kaydırılırsa serbest elektronları toplayabilir ve yüklenebilir. (Bu, diğer bir tür ücret transferine bir örnektir,condüksiyon veya doğrudan temas.) Negatif yüklü bir çubuk bir topun yanına getirilirseelektroskopelektronlar ona dokunmadan "uzaklaştırılacak" ve topun iletken yüzeyleri boyunca içeride asılı duran alüminyum yaprak çiftine doğru serbestçe hareket edecekler. Yaprakların birbirini ittiğini göreceksiniz.

Elektroskobun toplamda hala elektriksel olarak nötr olduğuna, ancak yükün farklı şekilde dağıldığına dikkat edin. Elektronların içerideki yapraklara "kaçması", çubuğun küreye yakın olduğu yerde pozitif yüklerin yerleşmesiyle dengelenir.

aslında olsaydındokunmaYüklü çubuk topa, elektronlar yakındaki pozitif yükler nedeniyle çubuktan aktarılacaktır. Çubuğu çektiğinizde, elektroskop yüklü kalacaktır, ancak negatif yükler kendilerini top boyunca eşit olarak dağıtacaktır.

Şimdi, tüm bunları bir araya getirebilecek bir konumdasınız ve bir iletkenin yakınına yüklü bir çubuk yerleştirdiğinizde ne olduğunu gözlemleyebileceksiniz.Ayrıcabaşka bir şeye bağlı olmak. (Yüklü bir çubuğu iletken bir küreye yaklaştırmak ve tepki olarak kürenin kendi elektronlarını "dans etmek" için çekmek bir süre sonra sıkıcı olabilir.)

Yüklü bir yalıtım çubuğunuz olduğunu varsayalım ve onu bir yalıtım direğiyle zemine bağlı katı bir iletken küreye yaklaştırıyorsunuz. Önceki bölümlerde dipolleri dielektriklerde tek tek moleküller cinsinden tarif etmiş olsa da, aynı fenomen indüksiyon yoluyla bir iletkende "kitle halinde" indüklenir. İletken bir küre (top) ise, iletkenin elektronları çubuğun ucunun karşısındaki yarım kürenin yüzeyine akacaktır.

Bir arkadaşınız çubuğu yukarıdan yerinde tutarken, ikinci, yine nötr iletken topu birinciye doğru, çubuk yerleşiminin tam karşısına kaydırırsanız ne olacağını hayal edin. Orada toplanan elektronlar, çubuktan ve itici elektronlardan daha da uzaklaşma fırsatını yakalayacak ve çubuğun uzak tarafına doğru hareket edecektir.buküre.

Şimdi yaratıcı olabilirsiniz. İkinci topun yüklü kalmasını istiyorsanız, iki topu ayırmanız yeterlidir.çubuk hala yerindeyken(ve dolayısıyla "dikkat dağıtan" pozitif yükler). Elektronlar sonuçta çubuktan ikinci küreye aktarılmış olacak ve burada kendilerini yüzeyinde eşit olarak dağıtacaklar. İlk top ilk nötr ve düzgün durumuna geri döner.

• Simetrik olmayan nesneler aynı fiziksel kurallara göre oynar, ancak elektronların "kesin" davranışını anlamak, kürelerde olduğu kadar kolay değildir.

ne olduğunu hiç düşündün mütopraklama telleriya da nasıl çalışırlar? Dünya elektriksel olarak nötr olarak kabul edilir, ancak sorumlu yerel bozulmaları sonuçsuz olarak emecek kadar geniştir. Bu nedenle, Dünya, geniş bir rezervuar veya şarj tamponu görevi görebilir ve gerektiğinde topraklama kabloları aracılığıyla elektronları besleyebilir. pozitif yüklü nesneleri nötralize edin veya bunları ters yönde tel aracılığıyla negatif yüklü nesnelerden kabul edin yön.

Bu nedenle, büyük iletken nesneler üzerinde büyük miktarda net yük birikimi sayesinde istenmeyen voltajı önlemek için topraklama kabloları, son derece elektrikli modern bir dünyada bir güvenlik özelliği sunar.