Електростатичка индукција

Електростатичка индукција – редистрибуција на електричниот полнеж во предмет, предизвикан од влијанието на блиски полнежи.^[1] Во присуство на наелектризаран предмет, изолиран спроводник развива позитивен полнеж на едниот крај и негативен полнеж на другиот.^[1] Индукцијата била откриена од британскиот научник Џон Кантон во 1753 и шведскиот професор Јохан Карл Вилке во 1762 година.^[2] Овој принцип го користат електростатичките генератори како Вимхурстовата машина, Ван де Графовиот генератор и електрофорусот. Заради индукцијата, електростатичкиот потенцијал (напон) е константен во сите точки на спроводникот.^[3] Резултат на електростатичката индукција е исто така привлекувањето на лесни неспроводливи предмети како балони, хартија или парчиња стиропор. Законите на електростатичката индукција се применуваат во динамички ситуации сè додека е валидна квазистатичката апроксимација. Електростатичката индукција не треба да се меша со електромагнетната индукција.

Објаснување

Приказ на електростатичката индукција со електроскоп. Уредот има ливчиња/игла кои се наелектризируваат кога во него ќе се внесе наелектризирана прачка.

Demonstration of induction, in the 1870s. The positive terminal of an electrostatic machine (right) is placed near an uncharged brass cylinder (left), causing the left end to acquire a positive charge and the right to acquire a negative charge. The small pith ball electroscopes hanging from the bottom show that the charge is concentrated at the ends.

Обично ненаелектризирано парче материјал има еднаков број на позитивни и негативни електрични полнежи во секој негов дел, сместени блиску едно до друго, така што ниеден негов дел нема чист електричен полнеж. Позитивните полнежи се атомски јадра кои се врзани за структурата на материјата и не се слободни да се движат. Негативните полнежи се атомски електрони. Во некои електроспроводни материјали како металите, некои од електроните можат слободно да се движат во материјалот.

Кога наелектризиран предмет се доведе во близина на ненаелектризиран, електроспроводен предмет, на пример парче метал, силата на блискиот полнеж заради Кулоновиот закон предизвикува подвојување на овие внатрешни полнежи. На пример, ако позитивниот полнеж се доведе во близина на предметот (види ја сликата десно), електроните во металот ќе бидат привлечени кон него и ќе се придвижат кон страната на предметот. Кога електроните излегуваат од едно подрачје, заради јадрата оставаат небалансиран позитивен полнеж. Ова резултира со подрачје на негативен полнеж на предметот најблиско до надворешниот полнеж, и на подрачје на позитивен полнеж на другиот крај. Овие се нарекуваат „индуцирани полнежи“. Ако надворешниот полнеж е негативен, поларитетот на електризираните подрачја ќе биде обратен.

Со оглед дека овој процес е само редистрибуција на полнежите кои веќе биле во предметот, истиот не го менува „вкупниот“ полнеж на предметот – сè уште нема нето полнеж. Овој ефект на индукција е реверзибилен – доколку блискиот предмет се оддалечи, привлекувањето меѓу позитивните и негативните интерни полнежи предизвикува истите повторно да се измешаат.

Електризирање на предмет со индукција

Електроскоп со златно ливче прикажува индукција пред терминалот да биде заземјен.

Gold-leaf electroscope, showing induction, before the terminal is grounded.

Сепак, индукативниот ефект може да се користи за поставување на мрежен напон на телото. Доколку, додека е блиску до позитивен полнеж, горенаведениот телото во моментот е поврзано преку проводен пат, до електричната површина ќе влезат во телото преку дејство на привлекување во близина на позитивен полнеж. Кога контактот со површината се прекинува, телото останува со негативен полнеж. Овој метод може да се прикаже ористејќи електоскоп со златни ливчиња, кој е инструмент за откриванње на електричните полнежи. Најпрвин се празни електроскопот а потоа наелектризираното тело се приближува до горниот терминал на инструментот. Индукцијата предизвикува одвојување на полнежите во метална прачка на електроскопот, така што горниот терминал добива мрежен полнеж со спротивен поларитет од тоа тело, а златниот лист добива полнење од ист поларитет. Откако двата листа ќе имаат ист полнеж, тие ќе се одбиваат и ќе се прошират. Електронот нема стекнато мрежа, полнењето во него се дистрибуира само, па доколку телото кое поседува полнеж ќе се оддалечи од електроскопот и ливчињата ќе се спојат. Но доколку електричниот контакт е краток спој помеѓу електроскопот и површинскиот приклучок, на пример допирање на терминалот со прст предизвикува полнење од површината на конекторот, што привлекува полнење на телото во близина на терминалот. Овој полнеж ги неутрализира полнежите во златните ливчиња, за ти да можат повторно да се спојат. Електроскопот сега содржи мрежа која се противи на поларитетот на наелектризираниот објект. Кога електричната контактна површина е прекината, на пр. со подигнување на прстот, не може да се избегне дополнителна сила што течеш во електроскопот, а инструментот ја задржува мрежата. Конекторот се наоѓа на врвот на електроскопскиот терминал привлекувајќки го индуктивниот полнеж. Меѓутоа, кога полнењето на полнежот е испразнето се ослободува и се проширува надолу по листот на терминалот, така што златните ливчиња повторно се движат. Знакот кој се наоѓа на левата страна од електроскопот по заземјувањето секогаш е спротивен од знакот на надворешниот поттик за понење. Двете правила на индукцијата се:

Ако телото не е заземјено, соседниот полнеж ќе предизвика исти и спротивни полнежи во тоа тело.
Ако некој дел од телото е моментално заменет додека уредот за полнење е близу, полнењето спротивно на поларитетот на индуктивниот полнеж ќе се повлече од површината на телото и ќе остане со напојување спротивно на полнењето за индукција.

Електростатичкото поле во проводен објект е нула

Surface charges induced in metal objects by a nearby charge. The electrostatic field (lines with arrows) of a nearby positive charge (+) causes the mobile charges in metal objects to separate. Negative charges (blue) are attracted and move to the surface of the object facing the external charge. Positive charges (red) are repelled and move to the surface facing away. These induced surface charges create an opposing electric field that exactly cancels the field of the external charge throughout the interior of the metal. Therefore electrostatic induction ensures that the electric field everywhere inside a conductive object is zero.

Поставено е прашањето колку се големи индуцираните полнежи. Движењето на еден полнеж е предизвикано од силата извршена врз нив од страна на надворешниот поле, според кулоновиот закон. Бидејќи полнежите во металот продолжуваат да се раздвојуваат добиените позитивни и негативни полнежи создаваат сопствено електрично поле, кое се противи на надворешното поле. Овој процес продолжува сè додека не се постигне рамнотежа во која индуцираните полнежи ја имаат токму вистинската големина да го прекинат надворешното електрично поле низ внатрешноста на металот. Тогаш останатите електрони (електрични полнежи) во внатрешноста на металот повеќе не се чувствуваат сили и движењето престанува.

Индуциран полнеж на површината

Бидејќи мобилниот полнач во внатрешноста на металниот спроводник се движи слободно во која било насока, никогаш не може да има статичка концентрација на полнеж во металот; ако е така, ќе го привлече спротивниот поларитет за да го неутрализира. Затоа, при индукција, подвижните напони се движат под влијание на надворешниот полнеж додека не стигнат до површината на металот и се собираат таму, каде што тие се обврзани да се движат по границата. Ова воспоставува важен принцип дека електростатичките полнежи на спроводници се на површината на објектот. Надворешните електрични полиња предизвикуваат површински оптоварувања на металните спроводници кои целосно го враќаат полето внатре.

Напонот низ спроводливо тело е константен

Електростатичкиот потенцијал или напонот помеѓу двете точки се дефинира како енергија која е потребна за поместување на мало полнење преку електричното поле меѓу две точки, поделено со големината на полнежот. Ако постои електрично поле насочено од точката $\mathbf {b}$ до точката $\mathbf {a}$ тогаш ќе се изврши полнечката сила која се движи од $\mathbf {a}$ до $\mathbf {b}$ . Работата ќе треба да се изврши со полнење на сила за да се префрли на точката $\mathbf {b}$ спротивно на спротивната сила на електричното поле. Затоа, електростатичката потенцијална енергија на полнежот ќе се зголеми. Потенцијалот на точката $\mathbf {b}$ е поголем отколку на точката $\mathbf {a}$ . Во секоја точка електричното поле $\mathbf {E}$ е градиент на електростатичкиот потенцијал $V$ :

\nabla V=\mathbf {E} \,

Бидејќи не може да има електрично поле во спроводен објект за да се изврши сила на оптоварувањето $(\mathbf {E} =0)\,$

\nabla V=\mathbf {0} \,

На друг начин тоа што во електростатиката, електростатичката индукција осигурува дека потенцијалот (напонот) преку проводен објект е константен.

Индукција во диелектрични тела

Електрични влијанија, исто така, се случуваат во електричен изолатор наречен диелектрик. Доколку се приближиме кон електричен изолатор, електро-електричните перничиња малку ќе се деградираат, како што е објаснето со електричните ефекти во диелектрикот. Во диелектрик, сите електрони се неразделно поврзани со позитивните атомски јадра, така што во диелектрикот позитивното и негативното полнење може само да се придвижи еден кон друго. Наједноставната форма на неутрална молекула е дипол кој се состои од позитивен и негативен полнеж. Ако нема надворешно електрично поле, овие диполи се неисправни во секој случај. Меѓутоа, кога диелектрикот е сместен во електрично поле, на пример помеѓу наполнети панели, диполот делумно се споредува во правец на тоа поле, односно позитивните обвиненија се ориентирани кон еден крај од телото, а негативниот во другиот. Диелектрикот во кој се изведува диполот во правец на електричното поле се нарекува поларизиран диелектрик, а самото диполо диоди се нарекува диелектрична поларизација.

Наводи

↑ ^1,0 ^1,1 „Electrostatic induction“. Encyclopædia Britannica Online. Encyclopædia Britannica, Inc. 2008.
↑ „Electricity“. Encyclopædia Britannica, 11th Ed. 9. The Encyclopædia Britannica Co. 1910. стр. 181.
↑ Purcell, Edward M.; David J. Morin (2013). Electricity and Magnetism. Cambridge Univ. Press. стр. 127–128. ISBN 1107014026.

Надворешни врски

„Charging by electrostatic induction“. Regents exam prep center. Oswego City School District. 1999. Архивирано од изворникот на 2008-08-28.

[BritannicaOnline-1] 1,0 ^1,1 „Electrostatic induction“. Encyclopædia Britannica Online. Encyclopædia Britannica, Inc. 2008.

[Britannica-2] „Electricity“. Encyclopædia Britannica, 11th Ed. 9. The Encyclopædia Britannica Co. 1910. стр. 181.

[Purcell-3] Purcell, Edward M.; David J. Morin (2013). Electricity and Magnetism. Cambridge Univ. Press. стр. 127–128. ISBN 1107014026.

[1]

[2]

[3]