Поляризація та електрична індукція: що це таке і як це працює? (з прикладами)

Навіть якщо ви новачок у фізичній науці, відомій як електромагнетизм, ви, мабуть, знаєте, що подібні заряди відштовхуються, а протилежні заряди залучаються; тобто позитивний заряд буде притягуватися до негативного заряду, але, як правило, відштовхуватиме інший позитивний заряд, з тим самим простим правилом, що діє в зворотному напрямку. (Це основа повсякденного вислову "протилежності приваблюють"; чи правда це в романтиці, можливо, відкрите питання, але це, звичайно, так, коли мова йде про електричні заряди на атомах і молекулах.)

Однак ви можете не знати, що заряджений об'єкт може бути притягнутий до нейтрального об'єкта - тобто об'єкта без чистого заряду. Це можливо завдяки феноменуполяризація заряду, що пояснює той факт, що молекули, які є електрично нейтральними в цілому, можуть мати асиметричний розподіл заряду всередині них. За аналогією, у місті може бути рівна кількість жителів молодше 40 років та старше 40 років, але їх розподіл у межах міста майже напевно є асиметричним.

• ​Молекули
  instagram story viewer
  являють собою колекції з двох або більше атомів, що представляють найменшу хімічну одиницю певної сполуки; ці атоми можуть представляти один і той же елемент, такий як газ кисню (O₂), або включати безліч елементів, як у діоксиду вуглецю (CO₂).

Передача електричного заряду поіндукція- значення без безпосереднього торкання об’єктів, які обмінюються зарядами у вигляді вільних електронів - обертається навколо стратегічного розміщення провідників - матеріалів, через які легко протікає струм, та ізоляторів - матеріалів, через які струм не може потік. Але більше того, він покладається на поляризацію цілих об'єктів, що виникає внаслідок поляризації складових молекул, які можна модулювати за допомогою електричного поля.

Подібно до того, як лінійне та обертальне рівняння руху аналогічні між собою, математика, що лежить в основі ефектівелектричне поле​ ​Едіючи на точкові заряди сильно нагадує такий, що описує вплив гравітаційного поля, що діє на точкові маси. Сила електричного поля задана формулою

• Вектор електричного поля вказує в тому ж напрямку, що і вектор електричної сили, коли це робитьqє позитивним. ОдиниціЕньютонів на кулон (Н / С).

Точкові заряди встановлюють власні електричні поля. (Пам'ятайте, що "точкові" заряди можуть мати будь-яку величину і все одно не можна вважати такими, що займають будь-який об'єм.) Вираз для цього:

деk- константа 9 × 10⁹ Нм²/ C² ір- зміщення (відстань і напрямок) між зарядом і будь-якою точкою, в якій оцінюється поле. Поєднання двох головних рівнянь, наведених вище, дає:

Ці відносини відомі якЗакон Кулона​.

Якщо кожен точковий заряд встановлює своє власне електричне поле, чи можна мати рівномірне електричне поле - тобто таке, в якому величина і напрямЕте ж саме? З причин, які ви побачите, необхідне рівномірне поле, щоб чиста сила на диполі дорівнювала нулю.

Розміщення двох нескінченно великих провідних пластин паралельно одна одній і розміщення ізоляційного матеріалу або діелектричного матеріалу між ними дозволяє електричне поле, яке створюється, якщо між ними встановлена ​​напруга (різниця електричного потенціалу), наприклад, коли різні пластини прикріплені до a акумулятор.

Ця домовленість наближена при виготовленніконденсатори, які зберігають електричний заряд у ланцюгах. Лінії електричного поля перпендикулярні пластинам і спрямовані до негативно пластини. Але як спочатку накопичуються заряди на поверхнях цих блоків?

Чисті електричні поля не можуть існувати всередині провідників. Це тому, що якщо електрони можуть вільно рухатися, вони будуть робити це до тих пір, поки вони не стануть рівноважними, де сума всіх сил і крутних моментів дорівнює нулю, а оскільки F = qE,Емає бути нульовим. Іншими словами, рух вільних електронів у провіднику знищує будь-яке електричне поле, яке існувало б, "вирівнюючи його" за рахунок зсуву електронів.

Ситуація всередині ізоляторів зовсім інша. Всі атоми складаються з позитивно зарядженого ядра, оточеного електронною хмарою. У присутності зовнішнього електричного поля (можливо, спричиненого наявністю зарядженого об'єкта) електронні хмари можуть зміщуватися, в результаті чогодипольний моменті чиста електрична сила.

Хоча в ізоляторі немає чистого заряду, якщо в будь-якій його частині відбирається проба, наявність дипольних моментів призводить до накопичення чистого позитивного заряду на одній стороні зразка та чистого негативного заряду на іншій стороні. Але заряди насправді не накопичуються на поверхні, як у провідниках, через обмежений рух електронів у цих матеріалах.

Поляризація відбувається, коли електрони всередині нейтрально зарядженого об'єкта зміщують своє середнє положення відносно протони, в результаті чого утворюються два "скупчення" електронів (ділянки локалізованої підвищеної електронної щільності) на молекулу та диполь момент. Два звинувачення єqрівні за величиною і протилежні за знаком. У молекулярному диполі ступінь поляризації визначається електричною сприйнятливістю матеріалу.стор= qd= дипольний момент aнеодруженийдиполь в діелектричному матеріалі.

Щоб отримати відчуття впливу електричного поляЕвсередині ізолятора в цілому розглянемо матеріал з дипольною об'ємною щільністюNдиполі заряду на одиницю об'єму. Зараз ви розглядаєте велику кількість сусідніх диполів, з невеликим позитивним зарядом на одному кінці кожного диполя і незначним негативним зарядом на іншому кінці. (Це призводить додиполь-дипольпривабливості між + та - зарядами у наскрізних диполях.)

Щільність поляризації діелектрикаPхарактеризує концентрацію диполів у матеріалі в результаті впливу в ньому електричного поля:P= Nстор= Nqd.​

​Pпропорційна напруженості електричного поля, як і слід було очікувати. Ці відносини заданіP​ = ε₀χ₀​Е, де ε₀ - електрична постійна і χ₀ - електрична сприйнятливість.

Деякі молекули вже природньо поляризовані. Вони називаються полярними молекулами. Прикладом полярної молекули є вода, яка складається з двох атомів водню, пов'язаних з одним атомом кисню. H₂Сама молекула О симетрична тим, що її можна розділити на рівні половини площиною, розміщеною між ними в правильній орієнтації.

Зв'язки між атомами водню та атомами кисню всередині тієї ж молекули є ковалентними, але такимиміж цими атомами в різних молекулах водиназиваютьсяводневі зв’язки. Електрони, що розділяються у ковалентних зв’язках між воднем та киснем, лежать набагато ближче до атома кисню, роблячи атом кисню в Н₂Про електронегативні та атоми водню електропозитивні. Таким чином, утворене водневі зв’язки між сусідніми молекулами є наслідком полярності молекул, яка поширюється по всій пробі води.

Якщо ви тримаєте заряджений предмет біля тонкого потоку води зі змішувача (який є провідником лише завдяки присутність іонів та інших домішок), ви можете бачити, як потік води рухається до об'єкта злегка цей ефект. Це тому, що молекули орієнтуються так, що кінець молекули з протилежним зарядом спрямований до зарядженого об’єкта.

Явище поділу заряду трапляється в провідниках дещо інакше, ніж у діелектриках. Замість того, щоб молекули ставали диполями, вільні електрони змушуються рухатися в одну сторону матеріалу.

Скляна паличка, яка є ізолятором, може збирати вільні електрони і заряджатися, якщо проводити їх поверхнею, такою як шерсть. (Це приклад іншого виду передачі заряду,конвипромінювання, або прямий контакт.) Якщо поруч із кулькоюелектроскопне торкаючись його, електрони будуть «відштовхуватися», і вони будуть вільно рухатися вздовж провідних поверхонь кульки до пари алюмінієвих листочків, що висять всередині. Ви побачите, як листя відштовхують одне одного.

Зауважте, що електроскоп в цілому все ще є електрично нейтральним, але заряд розподіляється по-різному. "Втікання" електронів до листя всередині збалансовано осіданням позитивних зарядів там, де стрижень знаходиться близько до сфери.

Якби ви насправдідотикзаряджений стрижень до кулі, електрони будуть передаватися із стрижня через позитивні заряди поблизу. Коли ви відтягнете стрижень, електроскоп залишиться зарядженим, але негативні заряди розподіляться рівномірно по кулі.

Тепер ви можете скласти все це разом і спостерігати, що відбувається, коли ви розміщуєте заряджений стрижень поблизу провідника, який можетакожбути пов’язаними з чимось іншим. (Підвівши заряджений стрижень близько до провідної сфери і потягнувши його, щоб власні електрони сфери "танцювали" у відповідь, через деякий час може набриднути.)

Припустимо, у вас є заряджений ізоляційний стрижень, і ви наближаєте його до твердої провідної сфери, з'єднаної із землею ізоляційним стовпом. Хоча попередні розділи описували диполі з точки зору окремих молекул у діелектриках, те саме явище індукується "масово" в провіднику за допомогою індукції. Якщо провідником є ​​куля (куля), електрони провідника будуть витікати на поверхню півкулі, протилежну верхівці стрижня.

Уявіть, що трапиться, якщо, коли друг утримує вудилище зверху на місці, ви просунете другий, також нейтральний провідний куля до першого, прямо навпроти розміщення стрижня. Електрони, зібрані там, скористаються можливістю відійти ще далі від стрижня та його репелентних електронів і перемістяться в дальню сторонуцесфера.

Тепер ви можете займатися творчістю. Якщо ви хочете, щоб друга кулька залишалася зарядженою, просто розтягніть дві кулькипоки шток ще на місці(і тим самим "відволікаючи" позитивні заряди). Зрештою, електрони будуть перенесені із стрижня у другу сферу, де вони рівномірно розподіляться по його поверхні. Перша куля повертається у вихідний нейтральний і рівномірний стан.

• Несиметричні об’єкти грають за тими ж фізичними правилами, але не так легко з’ясувати «точну» поведінку електронів, як у випадку з сферами.

Ви коли-небудь роздумували над чимдроти заземленнячи як вони працюють? Земля вважається електрично нейтральною, але вона досить велика, щоб без наслідків поглинати відповідальні місцеві збурення. Через це Земля може виступати в ролі величезного резервуара або буфера заряду, подаючи електрони за необхідністю через заземлюючі дроти до нейтралізують позитивно заряджені предмети, або приймаючи їх від негативно заряджених предметів через дріт навпаки напрямку.

Отже, щоб запобігти небажаній напрузі завдяки значному накопиченню чистих зарядів на великих провідних об’єктах, заземлювальні дроти пропонують функцію безпеки в сучасному електричному світі.