Indukcja elektrostatyczna - Electrostatic induction

Indukcja elektrostatyczna , znana również jako „wpływ elektrostatyczny” lub po prostu „wpływ” w Europie i Ameryce Łacińskiej, to redystrybucja ładunku elektrycznego w obiekcie, spowodowana wpływem pobliskich ładunków. W obecności naładowanego ciała, izolowany przewodnik wytwarza ładunek dodatni na jednym końcu i ładunek ujemny na drugim końcu. Indukcja została odkryta przez brytyjskiego naukowca Johna Cantona w 1753 roku i szwedzkiego profesora Johana Carla Wilcke w 1762 roku. Generatory elektrostatyczne , takie jak maszyna Wimshursta , generator Van de Graaffa i elektrofor , wykorzystują tę zasadę. Dzięki indukcji potencjał elektrostatyczny ( napięcie ) jest stały w dowolnym punkcie przewodu. Indukcja elektrostatyczna jest również odpowiedzialna za przyciąganie lekkich nieprzewodzących obiektów, takich jak balony, skrawki papieru lub styropianu, do statycznych ładunków elektrycznych. Prawa indukcji elektrostatycznej mają zastosowanie w sytuacjach dynamicznych, o ile obowiązuje przybliżenie quasistatyczne . Indukcji elektrostatycznej nie należy mylić z indukcją elektromagnetyczną .

Wyjaśnienie

Demonstracja indukcji w latach 70. XIX wieku. Dodatni zacisk maszyny elektrostatycznej (po prawej) jest umieszczony w pobliżu nienaładowanego mosiężnego cylindra (po lewej) , powodując, że lewy koniec uzyskuje ładunek dodatni, a prawo ładunek ujemny. Małe elektroskopy z kulkami rdzeniowymi zwisające z dołu pokazują, że ładunek jest skoncentrowany na końcach.

Normalny, nienaładowany kawałek materii ma równą liczbę dodatnich i ujemnych ładunków elektrycznych w każdej części, znajdujących się blisko siebie, więc żadna jego część nie ma netto ładunku elektrycznego. Dodatnie ładunki są atomy ' jąder , które są przyłączone do struktury materii i nie mogą poruszać się swobodnie. Ładunki ujemne to elektrony atomów . W obiektach przewodzących prąd elektryczny, takich jak metale, niektóre elektrony mogą swobodnie poruszać się w obiekcie.

Kiedy naładowany obiekt jest zbliżany do nienaładowanego, przewodzącego elektrycznie obiektu, takiego jak kawałek metalu, siła pobliskiego ładunku wynikająca z prawa Coulomba powoduje oddzielenie tych wewnętrznych ładunków. Na przykład, jeśli ładunek dodatni zostanie przyniesiony w pobliżu obiektu (patrz zdjęcie cylindrycznej elektrody w pobliżu maszyny elektrostatycznej), elektrony w metalu zostaną przyciągnięte w jego kierunku i przesuną się na bok obiektu zwrócony do niego. Kiedy elektrony wychodzą z obszaru, pozostawiają niezrównoważony ładunek dodatni z powodu jąder. Skutkuje to obszarem ładunku ujemnego na obiekcie najbliższym ładunku zewnętrznego i obszarem ładunku dodatniego na części oddalonej od niego. Są to tak zwane ładunki indukowane . Jeśli ładunek zewnętrzny jest ujemny, polaryzacja naładowanych regionów zostanie odwrócona.

Ponieważ ten proces jest po prostu redystrybucją ładunków, które już znajdowały się w obiekcie, nie zmienia on całkowitego ładunku na obiekcie; nadal nie ma opłaty netto. Ten efekt indukcji jest odwracalny; jeśli pobliski ładunek zostanie usunięty, przyciąganie między dodatnimi i ujemnymi ładunkami wewnętrznymi powoduje ich ponowne przenikanie.

Ładowanie obiektu przez indukcję

Elektroskop ze złotymi listkami, pokazujący indukcję, przed uziemieniem zacisku.
Wykorzystanie elektroskopu do wykazania indukcji elektrostatycznej. Urządzenie posiada listki/igły, które ładują się po wprowadzeniu do niego naładowanego pręta. Liście wyginają listek/igłę, a im silniejsza jest wprowadzona statyka, tym większe wyginanie.

Jednak efekt indukcji można również wykorzystać do nałożenia ładunku netto na przedmiot. Jeśli, gdy jest blisko ładunku dodatniego, powyższy obiekt zostanie chwilowo połączony ścieżką przewodzącą z uziemieniem elektrycznym , które jest dużym rezerwuarem ładunków zarówno dodatnich, jak i ujemnych, część ładunków ujemnych w ziemi wpłynie do obiektu , pod atrakcją pobliskiego ładunku dodatniego. Gdy kontakt z ziemią zostaje przerwany, obiekt pozostaje z ujemnym ładunkiem netto.

Metodę tę można zademonstrować za pomocą elektroskopu ze złotymi listkami , który jest instrumentem do wykrywania ładunku elektrycznego. Elektroskop jest najpierw rozładowywany, a następnie naładowany obiekt jest zbliżany do górnego zacisku instrumentu. Indukcja powoduje oddzielenie ładunków wewnątrz metalowego pręta elektroskopu tak, że górny zacisk otrzymuje ładunek netto o przeciwnej polaryzacji do przedmiotu, podczas gdy złote płatki zyskują ładunek o tej samej polaryzacji. Ponieważ oba liście mają ten sam ładunek, odpychają się i rozchodzą. Elektroskop nie uzyskał ładunku netto: ładunek w nim został jedynie rozłożony, więc jeśli naładowany obiekt zostanie odsunięty od elektroskopu, liście ponownie się połączą.

Ale jeśli teraz zostanie nawiązany kontakt elektryczny pomiędzy zaciskiem elektroskopu a uziemieniem , na przykład przez dotknięcie zacisku palcem, spowoduje to przepływ ładunku z uziemienia do zacisku, przyciągany przez ładunek na obiekcie w pobliżu zacisku. Ten ładunek neutralizuje ładunek w złotych liściach, więc liście ponownie się łączą. Elektroskop zawiera teraz ładunek netto o biegunowości przeciwnej do ładunku naładowanego obiektu. Gdy kontakt elektryczny z ziemią zostanie przerwany, np. przez podniesienie palca, dodatkowy ładunek, który właśnie wpłynął do elektroskopu, nie może uciec, a instrument zachowuje ładunek netto. Ładunek jest utrzymywany w górnej części terminala elektroskopu przez przyciąganie ładunku indukującego. Ale kiedy ładunek indukujący zostaje odsunięty, ładunek jest uwalniany i rozprzestrzenia się przez terminal elektroskopu na liście, więc złote liście ponownie się rozsuwają.

Znak ładunku pozostawionego na elektroskopie po uziemieniu jest zawsze przeciwny do znaku zewnętrznego ładunku indukującego. Dwie zasady indukcji to:

  • Jeśli obiekt nie jest uziemiony, pobliski ładunek indukuje w obiekcie równe i przeciwne ładunki.
  • Jeśli jakakolwiek część obiektu jest chwilowo uziemiona, gdy ładunek indukujący jest bliski, ładunek przeciwny biegunowości do ładunku indukującego zostanie przyciągnięty z ziemi do obiektu i pozostanie z ładunkiem przeciwnym do ładunku indukującego.

Pole elektrostatyczne wewnątrz obiektu przewodzącego wynosi zero

Ładunki powierzchniowe indukowane w metalowych przedmiotach przez pobliski ładunek. Pole elektrostatyczne (linie ze strzałkami) pobliskiego ładunku dodatniego (+) powoduje oddzielenie się ładunków ruchomych w metalowych przedmiotach. Ładunki ujemne (niebieskie) są przyciągane i przemieszczają się na powierzchnię obiektu zwróconego w stronę ładunku zewnętrznego. Ładunki dodatnie (czerwone) są odpychane i przemieszczają się na powierzchnię odwróconą. Te indukowane ładunki powierzchniowe wytwarzają przeciwstawne pole elektryczne, które dokładnie anuluje pole ładunku zewnętrznego w całym wnętrzu metalu. Dlatego indukcja elektrostatyczna zapewnia, że ​​pole elektryczne wszędzie wewnątrz obiektu przewodzącego wynosi zero.

Pozostaje pytanie, jak duże są indukowane ładunki. Ruch ładunków jest spowodowany siłą wywieraną na nie przez pole elektryczne zewnętrznego naładowanego obiektu, zgodnie z prawem Coulomba . Ponieważ ładunki w metalowym przedmiocie nadal się rozdzielają, powstałe dodatnie i ujemne regiony tworzą własne pole elektryczne, które przeciwstawia się polu ładunku zewnętrznego. Proces ten trwa aż do momentu, gdy bardzo szybko (w ułamku sekundy) zostanie osiągnięta równowaga, w której indukowane ładunki mają dokładnie odpowiednią wielkość, aby zlikwidować zewnętrzne pole elektryczne w całym wnętrzu metalowego obiektu. Wtedy pozostałe ruchome ładunki (elektrony) we wnętrzu metalu przestają odczuwać siłę i ruch wypadkowy ładunków ustaje.

Ładunek indukowany znajduje się na powierzchni

Ponieważ ruchome ładunki (elektrony) we wnętrzu metalowego obiektu mogą swobodnie poruszać się w dowolnym kierunku, nigdy nie może być statycznej koncentracji ładunku wewnątrz metalu; gdyby tak było, rozproszyłoby się z powodu wzajemnego odpychania. Dlatego w indukcji, ruchome ładunki przemieszczają się przez metal pod wpływem ładunku zewnętrznego w taki sposób, że zachowują lokalną neutralność elektrostatyczną; w dowolnym obszarze wewnętrznym ujemny ładunek elektronów równoważy dodatni ładunek jąder. Elektrony poruszają się, aż dotrą do powierzchni metalu i tam się gromadzą, gdzie nie mogą się poruszać przez granicę. Powierzchnia jest jedynym miejscem, w którym może występować ładunek elektryczny netto.

To ustanawia zasadę, że ładunki elektrostatyczne na obiektach przewodzących znajdują się na powierzchni obiektu. Zewnętrzne pola elektryczne indukują ładunki powierzchniowe na metalowych przedmiotach, które dokładnie znoszą pole wewnątrz.

Napięcie w całym obiekcie przewodzącym jest stałe

Potencjał elektrostatyczny lub napięcie między dwoma punktami jest zdefiniowana jako energia (pracy) wymagane do przenoszenia małego ładunku w polu elektrycznym pomiędzy dwoma punktami, podzieloną przez wielkość ładunku. Jeśli istnieje pole elektryczne skierowane z punktu do punktu, to będzie wywierało siłę na ładunek przemieszczający się z punktu do . Trzeba będzie wykonać pracę nad ładunkiem za pomocą siły, aby przemieścił się on wbrew przeciwnej sile pola elektrycznego. W ten sposób elektrostatyczna energia potencjalna ładunku wzrośnie. Więc potencjał w punkcie jest wyższy niż w punkcie . Pole elektryczne w dowolnym punkcie to gradient (szybkość zmian) potencjału elektrostatycznego  :

Ponieważ w obiekcie przewodzącym nie może być pola elektrycznego, które wywierałoby siłę na ładunki , w obiekcie przewodzącym gradient potencjału wynosi zero

Innym sposobem powiedzenia tego jest to, że w elektrostatyce indukcja elektrostatyczna zapewnia, że ​​potencjał (napięcie) w całym obiekcie przewodzącym jest stały.

Indukcja w obiektach dielektrycznych

Fragmenty papieru przyciągane przez naładowaną płytę CD

Podobny efekt indukcji występuje w nieprzewodzących ( dielektryka ) obiektów i jest odpowiedzialna za przyciąganie małych lekkich nieprzewodzących obiektów, jak balony, skrawki papieru lub styropianu , do statycznych ładunków elektrycznych (patrz kota, powyżej), jak również elektryzują się w ubranie.

W nieprzewodnikach elektrony są związane z atomami lub cząsteczkami i nie mogą swobodnie poruszać się wokół obiektu, jak w przewodnikach; jednak mogą się trochę poruszać w cząsteczkach. Jeśli ładunek dodatni znajdzie się w pobliżu obiektu nieprzewodzącego, elektrony w każdej cząsteczce są przyciągane w jego kierunku i przesuwają się na stronę cząsteczki zwróconą w kierunku ładunku, podczas gdy jądra dodatnie są odpychane i przesuwają się nieznacznie na przeciwną stronę cząsteczki. Ponieważ ładunki ujemne są teraz bliżej ładunku zewnętrznego niż ładunki dodatnie, ich przyciąganie jest większe niż odpychanie ładunków dodatnich, co skutkuje niewielkim przyciąganiem netto cząsteczki w kierunku ładunku. Ten efekt jest mikroskopijny, ale ponieważ jest tak wiele cząsteczek, sumuje się to z wystarczającą siłą, aby poruszyć lekki przedmiot, taki jak styropian.

Ta zmiana w rozkładzie ładunku w cząsteczce spowodowana zewnętrznym polem elektrycznym nazywana jest polaryzacją indukowaną , a spolaryzowane cząsteczki nazywane są dipolami . Nie należy tego mylić z cząsteczką polarną , która ze względu na swoją strukturę ma koniec dodatni i ujemny, nawet przy braku ładunku zewnętrznego. Na tym polega zasada działania elektroskopu z kulką pith .

Uwagi

Linki zewnętrzne