Электростатическая индукция

Разделение электрического заряда из-за наличия других зарядов

Электростатическая индукция , также известная как «электростатическое влияние» или просто «влияние» в Европе и Латинской Америке, представляет собой перераспределение электрического заряда в объекте, которое вызвано влиянием близлежащих зарядов. ^[1] При наличии заряженного тела изолированный проводник развивает положительный заряд на одном конце и отрицательный заряд на другом конце. ^[1] Индукция была открыта британским ученым Джоном Кантоном в 1753 году и шведским профессором Йоханом Карлом Вильке в 1762 году. ^[2] Электростатические генераторы , такие как машина Вимшурста , генератор Ван де Граафа и электрофорус , 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 отвечает за притяжение легких непроводящих предметов, таких как воздушные шары, бумажные или пенополистирольные обрезки, к статическим электрическим зарядам. Законы электростатической индукции применимы в динамических ситуациях, поскольку справедливо квазистатическое приближение .

Объяснение

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

Когда заряженный объект подносится к незаряженному, электропроводящему объекту, такому как кусок металла, сила близлежащего заряда из-за закона Кулона вызывает разделение этих внутренних зарядов. ^{[4] : стр.712} Например, если положительный заряд подносится к объекту (см. изображение цилиндрического электрода возле электростатической машины), электроны в металле будут притягиваться к нему и перемещаться в сторону объекта, обращенную к нему. Когда электроны выходят из области, они оставляют несбалансированный положительный заряд из-за ядер. Это приводит к образованию области отрицательного заряда на объекте, ближайшем к внешнему заряду, и области положительного заряда на части, удаленной от него. Они называются индуцированными зарядами . Если внешний заряд отрицательный, полярность заряженных областей будет обратной.

Поскольку этот процесс представляет собой просто перераспределение зарядов, которые уже были в объекте, он не изменяет общий заряд объекта; он по-прежнему не имеет чистого заряда. Этот эффект индукции обратим; если близлежащий заряд удаляется, притяжение между положительными и отрицательными внутренними зарядами заставляет их снова смешиваться.

Зарядка объекта методом индукции

Электроскоп с золотым листом, демонстрирующий индукцию (обозначенную полярность зарядов) до заземления клеммы.

Использование электроскопа для демонстрации электростатической индукции. Устройство имеет листья/иглу, которые заряжаются при поднесении к ним заряженного стержня. Листья изгибают лист/иглу, и чем сильнее введенный статический заряд, тем больше изгиб.

Однако эффект индукции может также использоваться для помещения чистого заряда на объект. ^{[4] : стр.711–713} Если, находясь близко к положительному заряду, указанный выше объект на мгновение подключается через проводящий путь к электрической земле , которая является большим резервуаром как положительных, так и отрицательных зарядов, некоторые отрицательные заряды в земле перетекут в объект под действием притяжения близлежащего положительного заряда. Когда контакт с землей прерывается, объект остается с чистым отрицательным зарядом.

Этот метод можно продемонстрировать с помощью электроскопа с золотым листом , который является инструментом для обнаружения электрического заряда. Электроскоп сначала разряжается, а затем заряженный объект подносится близко к верхнему выводу прибора. Индукция вызывает разделение зарядов внутри металлического стержня электроскопа , так что верхний вывод приобретает чистый заряд противоположной полярности по отношению к объекту, в то время как золотые листы приобретают заряд той же полярности. Поскольку оба листа имеют одинаковый заряд, они отталкиваются друг от друга и расходятся. Электроскоп не приобрел чистый заряд: заряд внутри него просто перераспределился, поэтому, если заряженный объект будет перемещен от электроскопа, листы снова сойдутся.

Но если теперь кратковременно установить электрический контакт между клеммой электроскопа и землей , например, прикоснувшись к клемме пальцем, это заставит заряд течь от земли к клемме, притягиваемый зарядом на объекте, близком к клемме. Этот заряд нейтрализует заряд в золотых листочках, поэтому листочки снова соберутся вместе. Теперь электроскоп содержит чистый заряд, противоположный по полярности заряду заряженного объекта. Когда электрический контакт с землей разрывается, например, при поднятии пальца, дополнительный заряд, который только что влился в электроскоп, не может выйти, и прибор сохраняет чистый заряд. Заряд удерживается в верхней части клеммы электроскопа притяжением индуцирующего заряда. Но когда индуцирующий заряд удаляется, заряд высвобождается и распространяется по всей клемме электроскопа к листочкам, поэтому золотые листочки снова раздвигаются.

Знак заряда, оставшегося на электроскопе после заземления, всегда противоположен по знаку внешнему индуцирующему заряду. ^[5] Два правила индукции: ^{[5] [6]}

• Если объект не заземлен, то находящийся поблизости заряд будет индуцировать в объекте равные и противоположные заряды.
• Если какая-либо часть объекта на мгновение заземляется, когда индуцирующий заряд находится рядом, то заряд, противоположный по полярности индуцирующему заряду, будет притягиваться из земли в объект, и он останется с зарядом, противоположным 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 предмета, обращенной к внешнему заряду. Положительные заряды (красные) отталкиваются и движутся к поверхности, обращенной от них. Эти индуцированные поверхностные заряды создают противоположное электрическое поле, которое точно нейтрализует поле внешнего заряда во всей внутренней части металла. Поэтому электростатическая индукция гарантирует, что электрическое поле везде внутри проводящего предмета равно нулю.

Остается вопрос, насколько велики индуцированные заряды. Движение зарядов вызвано силой, действующей на них со стороны электрического поля внешнего заряженного объекта, по закону Кулона . По мере того, как заряды в металлическом объекте продолжают разделяться, результирующие положительные и отрицательные области создают свое собственное электрическое поле, которое противодействует 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 точно такой размер и форму, чтобы нейтрализовать внешнее электрическое поле во всей внутренней части металлического объекта. ^{[3] [7]} Затем 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 она была, она бы рассеялась из-за взаимного отталкивания. ^[3] Поэтому при индукции подвижные заряды движутся через металл под влиянием внешнего заряда таким образом, что они сохраняют локальную электростатическую нейтральность; в любой внутренней области отрицательный заряд электронов уравновешивает положительный заряд ядер. Электроны движутся, пока не достигнут поверхности металла и не соберутся там, где их перемещение ограничено границей. ^[3] Поверхность — единственное место, где может существовать чистый электрический заряд. ^{[4] : стр.754}

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

Напряжение во всем 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 есть электрическое поле, направленное от точки к точке , то оно будет оказывать силу на заряд, движущийся от к . Работа должна быть произведена над зарядом силой, чтобы заставить его двигаться к против противодействующей силы электрического поля. Таким образом, электростатическая потенциальная энергия заряда увеличится. Поэтому потенциал в точке выше, чем в точке . Электрическое поле в любой точке является градиентом (скоростью 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

Кусочки бумаги, притянутые заряженным компакт-диском

Похожий эффект индукции возникает в непроводящих ( диэлектрических ) объектах и ​​отвечает за притяжение небольших легких непроводящих объектов, таких как воздушные шары, клочки бумаги или пенопласт , к статическим электрическим зарядам ^{[8] [9] [10]} (см. изображение кота выше) , а также за статическое прилипание к одежде.

В непроводниках электроны связаны с атомами или молекулами и не могут свободно перемещаться по объекту, 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 перемещаются в сторону молекулы, обращенную к заряду, в то время как положительные ядра отталкиваются и немного перемещаются в противоположную сторону 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 микроскопичен, но поскольку молекул так много, он суммируется с достаточной силой, чтобы переместить легкий объект, такой как пенополистирол.

Это изменение распределения заряда в молекуле из-за внешнего электрического поля называется диэлектрической поляризацией , ^[8] а поляризованные молекулы называются диполями . Это не следует путать с полярной молекулой , которая имеет положительный и отрицательный конец из-за своей структуры, даже при отсутствии внешнего заряда. Это принцип работы электроскопа с шариком . ^[11]

Ссылки

1. "Электростатическая индукция". Britannica.com Online . Britannica.com Inc. 2008. Получено 25.06.2008 .
2. Флеминг, Джон Эмброуз (1911). «Электричество»  . В Чисхолме, Хью (ред.). Энциклопедия Британника . Т. 9 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 179–193, см. стр. 181, второй абзац, три строки с конца. ... швед Иоганн Карл Вильке (1732–1796), тогда проживавший в Германии, который в 1762 году опубликовал отчет об экспериментах, в которых...
3. Перселл, Эдвард М.; Дэвид Дж. Морин (2013). Электричество и магнетизм. Cambridge Univ. Press. С. 127–128. ISBN 978-1107014022.
4. Холлидей, Дэвид; Резник, Роберт; Уокер, Джерл (2010). Основы физики (9-е изд.). John Wiley and Sons. ISBN 9780470469118.
5. Cope, Thomas A. Darlington. Физика. Александрийская библиотека. ISBN 1465543724.
6. Хэдли, Гарри Эдвин (1899). Магнетизм и электричество для начинающих. Macmillan & Company. стр. 182.
7. Saslow, Wayne M. (2002). Электричество, магнетизм и свет. США: Academic Press. стр. 159–161. ISBN 0-12-619455-6.
8. Sherwood, Bruce A.; Ruth W. Chabay (2011). Материя и взаимодействия (3-е изд.). США: John Wiley and Sons. стр. 594–596. ISBN 978-0-470-50347-8.
9. Пол Э. Типпенс, Электрический заряд и электрическая сила, презентация PowerPoint, стр. 27-28, 2009, S. Polytechnic State Univ. Архивировано 19 апреля 2012 г. на Wayback Machine на сайте DocStoc.com
10. Хендерсон, Том (2011). «Заряд и взаимодействие зарядов». Статическое электричество, Урок 1. Класс физики . Получено 01.01.2012 .
11. Kaplan MCAT Physics 2010-2011. США: famous Publishing. 2009. стр. 329. ISBN 978-1-4277-9875-6. Архивировано из оригинала 2014-01-31.

Внешние ссылки

• Медиа, связанные с Электростатическая индукция на Wikimedia Commons
• «Зарядка электростатической индукцией». Центр подготовки к экзамену Regents . Школьный округ города Освего. 1999. Архивировано из оригинала 28-08-2008 . Получено 25-06-2008 .