Электростатическая индукция

Разделение электрического заряда из-за присутствия других зарядов

Электростатическая индукция , также известная как «электростатическое воздействие» или просто «воздействие» в Европе и Латинской Америке, представляет собой перераспределение электрического заряда в объекте, вызванное влиянием близлежащих зарядов. ^[1] При наличии заряженного тела изолированный проводник приобретает положительный заряд на одном конце и отрицательный заряд на другом конце. ^[1] Индукция была открыта британским учёным Джоном Кантоном в 1753 году и шведским профессором Йоханом Карлом Вильке в 1762 году . ^[2] Электростатические генераторы , такие как машина Вимшерста , генератор Ван де Граафа и электрофор , используют этот принцип. См. также Стивена Грея в этом контексте. Из-за индукции электростатический потенциал ( напряжение ) постоянен в любой точке проводника. ^[3] Электростатическая индукция также ответственна за притяжение легких непроводящих предметов, таких как воздушные шары, бумаги или обрезки пенопласта, к статическому электрическому заряду. Законы электростатической индукции применяются в динамических ситуациях, если справедливо квазистатическое приближение .

Объяснение

Обычный незаряженный кусок материи имеет одинаковое количество положительных и отрицательных электрических зарядов в каждой его части, расположенной близко друг к другу, поэтому ни одна его часть не имеет чистого электрического заряда. ^{[4] : с.711–712} Положительные заряды — это ядра атомов , которые связаны в структуру материи и не могут свободно двигаться. Отрицательные заряды — это электроны атомов . В электропроводящих объектах, таких как металлы, некоторые электроны могут свободно перемещаться внутри объекта.

Когда заряженный объект приближается к незаряженному электропроводящему объекту, например к куску металла, сила близлежащего заряда, обусловленная законом Кулона, вызывает разделение этих внутренних зарядов. ^{[4] : стр.712} Например, если рядом с объектом поднести положительный заряд (см. изображение цилиндрического электрода возле электростатической машины), электроны в металле будут притягиваться к нему и перемещаться в сторону объекта, обращенную к нему. . Когда электроны покидают определенную область, они оставляют за счет ядер несбалансированный положительный заряд. В результате образуется область отрицательного заряда на объекте, ближайшем к внешнему заряду, и область положительного заряда на стороне, удаленной от него. Это так называемые индуцированные заряды . Если внешний заряд отрицательный, полярность заряженных областей изменится на обратную.

Поскольку этот процесс представляет собой всего лишь перераспределение зарядов, которые уже были в объекте, он не меняет общий заряд объекта; он все еще не имеет чистого заряда. Этот индукционный эффект обратим; если соседний заряд удаляется, притяжение между положительными и отрицательными внутренними зарядами заставляет их снова смешиваться.

Зарядка объекта индукцией

Позолоченный электроскоп, показывающий индукцию (обозначенную полярностью зарядов) до заземления клеммы.

Использование электроскопа для выявления электростатической индукции. Устройство имеет листья/иглу, которые заряжаются при введении в него заряженного стержня. Листья сгибают лист/иглу, и чем сильнее внесенное статическое электричество, тем сильнее происходит изгиб.

Однако эффект индукции также можно использовать для создания чистого заряда объекта. ^{[4] : с.711–713} Если, находясь вблизи положительного заряда, указанный выше объект на мгновение соединяется через проводящий путь с электрическим заземлением , которое является большим резервуаром как положительных, так и отрицательных зарядов, часть отрицательных зарядов Заряды в земле перетекут в объект под притяжением близлежащего положительного заряда. Когда контакт с землей нарушается, объект остается с чистым отрицательным зарядом.

Этот метод можно продемонстрировать с помощью позолоченного электроскопа , который является инструментом для обнаружения электрического заряда. Электроскоп сначала разряжается, а затем подносится к верхнему выводу прибора заряженный объект. Индукция вызывает разделение зарядов внутри металлического стержня электроскопа , так что верхняя клемма получает чистый заряд противоположной полярности по отношению к заряду объекта, а золотые листья получают заряд той же полярности. Поскольку оба листа имеют одинаковый заряд, они отталкиваются друг от друга и разлетаются в стороны. Электроскоп не приобрел суммарного заряда: заряд внутри него просто перераспределился, поэтому, если заряженный объект убрать из электроскопа, листья снова сойдутся вместе.

Но если теперь между клеммой электроскопа и землей на короткое время устанавливается электрический контакт , например, путем прикосновения к клемме пальцем, это вызывает перетекание заряда от земли к клемме, притягиваемое зарядом на объекте, расположенном рядом с клеммой. Этот заряд нейтрализует заряд золотых листьев, и листья снова соединяются. Электроскоп теперь содержит чистый заряд, противоположный по полярности заряду заряженного объекта. Когда электрический контакт с землей разрывается, например, при поднятии пальца, дополнительный заряд, который только что перетек в электроскоп, не может уйти, и прибор сохраняет чистый заряд. Заряд удерживается в верхней части терминала электроскопа за счет притяжения индуцирующего заряда. Но когда индуцирующий заряд удаляется, заряд высвобождается и распространяется по клемме электроскопа к листьям, поэтому золотые листья снова раздвигаются.

Знак заряда, оставшегося на электроскопе после заземления, всегда противоположен знаку внешнего индуцирующего заряда. ^[5] Два правила индукции: ^{[5] [6]}

• Если объект не заземлен, близлежащий заряд будет индуцировать в объекте равные и противоположные заряды.
• Если какая-либо часть объекта на мгновение заземляется, когда индуцирующий заряд находится рядом, заряд, противоположный по полярности индуцирующему заряду, будет притягиваться из земли в объект, и на нем останется заряд, противоположный индуцирующему заряду.

Электростатическое поле внутри проводящего объекта равно нулю.

Поверхностные заряды, индуцированные в металлических предметах близлежащим зарядом. Электростатическое поле (линии со стрелками) близлежащего положительного заряда (+) заставляет подвижные заряды в металлических предметах разделяться. Отрицательные заряды (синие) притягиваются и движутся к поверхности объекта, обращенной к внешнему заряду. Положительные заряды (красные) отталкиваются и движутся к поверхности, обращенной в сторону. Эти индуцированные поверхностные заряды создают противоположное электрическое поле, которое точно нейтрализует поле внешнего заряда внутри металла. Следовательно, электростатическая индукция гарантирует, что электрическое поле повсюду внутри проводящего объекта равно нулю.

Остается вопрос, насколько велики индуцированные заряды. Движение зарядов вызывается силой, действующей на них электрическим полем внешнего заряженного объекта, по закону Кулона . Поскольку заряды в металлическом объекте продолжают разделяться, образующиеся положительные и отрицательные области создают собственное электрическое поле, противодействующее полю внешнего заряда. ^[3] Этот процесс продолжается до тех пор, пока очень быстро (в течение доли секунды) не будет достигнуто равновесие , при котором индуцированные заряды будут иметь именно тот размер и форму, которые нейтрализуют внешнее электрическое поле внутри металлического объекта. ^{[3] [7]} Тогда оставшиеся подвижные заряды (электроны) внутри металла больше не чувствуют силы, и чистое движение зарядов прекращается. ^[3]

Индуцированный заряд находится на поверхности

Поскольку подвижные заряды (электроны) внутри металлического объекта могут свободно перемещаться в любом направлении, внутри металла никогда не может быть статической концентрации заряда; если бы оно было, оно бы рассеялось вследствие взаимного отталкивания. ^[3] Поэтому при индукции подвижные заряды движутся через металл под действием внешнего заряда таким образом, что они сохраняют локальную электростатическую нейтральность; в любой внутренней области отрицательный заряд электронов уравновешивает положительный заряд ядер. Электроны движутся до тех пор, пока не достигнут поверхности металла и не собираются там, где их движение ограничивается границей. ^[3] Поверхность — единственное место, где может существовать чистый электрический заряд. ^{[4] : стр.754}

Это устанавливает принцип, согласно которому электростатические заряды на проводящих объектах находятся на поверхности объекта. ^{[3] [7]} Внешние электрические поля индуцируют поверхностные заряды на металлических объектах, которые точно нейтрализуют поле внутри. ^[3]

Напряжение на проводящем объекте постоянно.

Электростатический потенциал или напряжение между двумя точками определяется как энергия (работа), необходимая для перемещения небольшого положительного заряда через электрическое поле между двумя точками, деленная на размер заряда. Если существует электрическое поле, направленное от точки к точке , то оно будет оказывать воздействие на заряд, движущийся от точки к . Над зарядом должна быть совершена работа силы, чтобы заставить его двигаться против противодействующей силы электрического поля. При этом электростатическая потенциальная энергия заряда увеличится. Таким образом, потенциал в точке выше, чем в точке . Электрическое поле в любой точке представляет собой градиент (скорость изменения) электростатического потенциала  : ${\displaystyle \mathbf {b} }$ ${\displaystyle \mathbf {a} }$ ${\displaystyle \mathbf {a} }$ ${\displaystyle \mathbf {b} }$ ${\displaystyle \mathbf {b} }$ ${\displaystyle \mathbf {b} }$ ${\displaystyle \mathbf {a} }$ ${\displaystyle \mathbf {E} (\mathbf {x} )}$ ${\displaystyle \mathbf {x} }$ ${\displaystyle V(\mathbf {x} )}$

${\displaystyle \nabla V=\mathbf {E} \,}$

Поскольку внутри проводящего объекта не может быть электрического поля, оказывающего силу на заряды , внутри проводящего объекта градиент потенциала равен нулю ^[3] ${\displaystyle (\mathbf {E} =0)\,}$

${\displaystyle \nabla V=\mathbf {0} \,}$

Другими словами, в электростатике электростатическая индукция обеспечивает постоянство потенциала (напряжения) во всем проводящем объекте.

Индукция в диэлектрических объектах

Обрывки бумаги, привлеченные заряженным компакт-диском

Подобный индукционный эффект возникает в непроводящих ( диэлектрических ) объектах и ​​отвечает за притяжение небольших легких непроводящих объектов, таких как воздушные шары, клочки бумаги или пенопласт , к статическому электрическому заряду ^{[8] [9] [10]} (см. рисунок кот, выше) , а также статика цепляется за одежду.

В непроводниках электроны связаны с атомами или молекулами и не могут свободно перемещаться вокруг объекта, как в проводниках; однако они могут немного перемещаться внутри молекул. Если положительный заряд поднести к непроводящему объекту, электроны в каждой молекуле притягиваются к нему и движутся к той стороне молекулы, которая обращена к заряду, в то время как положительные ядра отталкиваются и слегка перемещаются к противоположной стороне молекулы. Поскольку отрицательные заряды теперь находятся ближе к внешнему заряду, чем положительные заряды, их притяжение больше, чем отталкивание положительных зарядов, что приводит к небольшому чистому притяжению молекулы к заряду. Этот эффект микроскопический, но поскольку молекул очень много, его силы достаточно, чтобы переместить легкий объект, например пенопласт.

Это изменение распределения заряда в молекуле под действием внешнего электрического поля называется диэлектрической поляризацией , ^[8] , а поляризованные молекулы называются диполями . Не следует путать ее с полярной молекулой , которая в силу своей структуры имеет положительный и отрицательный конец даже при отсутствии внешнего заряда. В этом и заключается принцип работы пробкового электроскопа . ^[11]

Рекомендации

1. «Электростатическая индукция». Britannica.com онлайн . Britannica.com Inc., 2008 г. Проверено 25 июня 2008 г.
2. Флеминг, Джон Амброуз (1911). "Электричество"  . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 9 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 179–193, см. стр. 181, второй абзац, три строки от конца. ... швед Иоганн Карл Вильке (1732–1796), живший тогда в Германии, который в 1762 году опубликовал отчет об экспериментах, в которых...
3. Перселл, Эдвард М.; Дэвид Дж. Морин (2013). Электричество и магнетизм. Кембриджский университет. Нажимать. стр. 127–128. ISBN 978-1107014022.
4. Холлидей, Дэвид; Резник, Роберт; Уокер, Джерл (2010). Основы физики (9-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 9780470469118.
5. Коуп, Томас А. Дарлингтон. Физика. Александрийская библиотека. ISBN 1465543724.
6. Хэдли, Гарри Эдвин (1899). Магнетизм и электричество для начинающих. Макмиллан и компания. п. 182.
7. Саслоу, Уэйн М. (2002). Электричество, магнетизм и свет. США: Академическая пресса. стр. 159–161. ISBN 0-12-619455-6.
8. Шервуд, Брюс А.; Рут В. Чабай (2011). Материя и взаимодействия (3-е изд.). США: Джон Уайли и сыновья. стр. 594–596. ISBN 978-0-470-50347-8.
9. Пол Э. Типпенс, Электрический заряд и электрическая сила, презентация Powerpoint, стр. 27-28, 2009 г., S. Polytechnic State Univ. Архивировано 19 апреля 2012 г. в Wayback Machine на сайте DocStoc.com.
10. Хендерсон, Том (2011). «Заряд и взаимодействие зарядов». Статическое электричество, Урок 1 . Кабинет физики . Проверено 1 января 2012 г.
11. Каплан MCAT Физика 2010-2011. США: известное издательство. 2009. с. 329. ИСБН 978-1-4277-9875-6. Архивировано из оригинала 31 января 2014 г.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с электростатической индукцией, на Викискладе?
• «Зарядка электростатической индукцией». Центр подготовки к экзаменам Риджентс . Школьный округ города Освего. 1999. Архивировано из оригинала 28 августа 2008 г. Проверено 25 июня 2008 г.