| Статьи о |
| Электромагнетизм |
|---|
 |
Электростатическая индукция , также известная как «электростатическое влияние» или просто «влияние» в Европе и Латинской Америке, представляет собой перераспределение электрического заряда в объекте, вызванное влиянием соседних зарядов. [1] В присутствии заряженного тела изолированный проводник развивает положительный заряд на одном конце и отрицательный - на другом. [1] Индукция был обнаружен британский ученый Джон Кантон в 1753 году и шведский профессор Йохан Карл Вильке в 1762 году [2] Электростатические генераторы , такие как машины Wimshurst , в генераторе Ван - де - Граафа и электрофорной, используйте этот принцип. Благодаря индукции электростатический потенциал ( напряжение ) постоянно в любой точке проводника. [3] Электростатическая индукция также отвечает за притяжение легких непроводящих предметов, таких как воздушные шары, бумага или обрезки пенополистирола, к статическим электрическим зарядам. Законы электростатической индукции применимы в динамических ситуациях, если справедливо квазистатическое приближение . Электростатическую индукцию не следует путать с электромагнитной индукцией .
Объяснение [ править ]
Нормальный незаряженный кусок материи имеет равное количество положительных и отрицательных электрических зарядов в каждой части, расположенной близко друг к другу, поэтому ни одна из частей не имеет чистого электрического заряда. Положительные заряды - это ядра атомов , которые связаны в структуре материи и не могут 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 в соответствии с законом Кулона вызывает разделение этих внутренних зарядов. 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, обращенного к нему. Когда электроны покидают область, 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 стороне, удаленной от него. Они называются индуцированными зарядами.. Если внешний заряд отрицательный, полярность заряженных областей будет обратной.
Поскольку этот процесс является просто перераспределением зарядов, которые уже были в объекте, он не меняет общий заряд объекта; у него по-прежнему нет нетто-заряда. Этот эффект индукции обратим; если соседний заряд удален, притяжение между положительным и отрицательным внутренними зарядами заставляет их снова смешиваться.
Зарядка объекта индукцией [ править ]
Тем не менее, эффект индукции также может быть использован для наложения чистого заряда на объект. Если, находясь близко к положительному заряду, вышеупомянутый объект на мгновение подключается через проводящий путь к электрическому заземлению , которое является большим резервуаром как положительных, так и отрицательных зарядов, некоторые из отрицательных зарядов в земле будут течь в объект. , под действием близлежащего положительного заряда. Когда контакт с землей нарушается, объект остается с чистым отрицательным зарядом.
Этот метод можно продемонстрировать с помощью электроскопа с позолотой , который является инструментом для обнаружения электрического заряда. Электроскоп сначала разряжается, а затем заряженный объект приближается к верхнему выводу прибора. Индукция вызывает разделение зарядов внутри металлического стержня электроскопа , так что верхний вывод приобретает чистый заряд противоположной полярности по сравнению с полярностью объекта, в то время как золотые листья получают заряд той же полярности. Поскольку оба листа имеют одинаковый заряд, они отталкиваются друг от друга и расходятся. Электроскоп не получил чистого заряда: заряд внутри него просто перераспределился, поэтому, если заряженный объект отодвинуть от электроскопа, листья снова соберутся вместе.
Но если теперь на короткое время установить электрический контакт между клеммой электроскопа и массойНапример, при прикосновении пальца к терминалу это вызывает перетекание заряда от земли к терминалу, притягиваемого зарядом на объекте, расположенном рядом с терминалом. Этот заряд нейтрализует заряд золотых листьев, поэтому листья снова собираются вместе. Электроскоп теперь содержит чистый заряд, противоположный по полярности заряженному объекту. Когда электрический контакт с землей нарушается, например, при поднятии пальца, дополнительный заряд, только что поступивший в электроскоп, не может уйти, и инструмент 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 листам, так что золотые листы снова расходятся.
Знак заряда, оставшегося на электроскопе после заземления, всегда противоположен знаку внешнего индуцирующего заряда. [4] Два правила индукции: [4] [5]
- Если объект не заземлен, соседний заряд вызовет одинаковые и противоположные заряды в объекте.
- Если какая-либо часть объекта на мгновение заземляется, когда индуцирующий заряд находится рядом, заряд, противоположный по полярности индуцирующему, будет притягиваться от земли к объекту, и он останется с зарядом, противоположным индуцирующему заряду.
Электростатическое поле внутри проводящего объекта равно нулю [ править ]
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, полученные положительная и отрицательная области создают 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 имеют ровно правильный размер, чтобы нейтрализовать внешнее электрическое поле внутри металлического объекта. [3] [6] Тогда оставшиеся подвижные заряды (электроны) внутри металла больше не ощущают силы, и общее движение зарядов прекращается. [3]
Индуцированный заряд находится на поверхности [ править ]
Поскольку мобильные заряды внутри металлического объекта могут свободно перемещаться в любом направлении, статическая концентрация заряда внутри металла никогда не может быть; в противном случае он притягивал бы заряд противоположной полярности, чтобы нейтрализовать его. [3] Таким образом, при индукции подвижные заряды перемещаются под действием внешнего заряда, пока не достигнут поверхности металла и не собираются там, где они не могут двигаться границами. [3]
Это устанавливает важный принцип, согласно которому электростатические заряды на проводящих объектах находятся на поверхности объекта. [3] [6] Внешние электрические поля индуцируют поверхностные заряды на металлических объектах, которые в точности нейтрализуют поле внутри. [3]
Напряжение во всем проводящем объекте постоянно [ править ]
Электростатический потенциал или напряжение между двумя точками определяются как энергия (работа) , необходимой для перемещения небольшого заряда через электрическое поле между двумя точками, деленной на размере заряда. Если есть электрическое поле , направленное от точки к точке , то она будет оказывать усилие на заряде , двигающемся от до . Надо будет произвести работу над зарядом с помощью силы, чтобы заставить его двигаться против противоположной силы электрического поля. Таким образом, электростатическая потенциальная энергия заряда увеличится. Таким образом, потенциал в точке выше, чем в точке . Электрическое поле в любой точке - это градиент(скорость изменения) электростатического потенциала :
Поскольку внутри проводящего объекта не может быть электрического поля, оказывающего силу на заряды , внутри проводящего объекта градиент потенциала равен нулю [3]
Другими словами, в электростатике электростатическая индукция обеспечивает постоянство потенциала (напряжения) во всем проводящем объекте.
Индукция в диэлектрических объектах [ править ]
Подобный эффект индукции возникает в непроводящих ( диэлектрических ) объектах и отвечает за притяжение небольших легких непроводящих объектов, таких как воздушные шары, клочки бумаги или пенополистирол , к статическим электрическим зарядам [7] [8] [9] [10] ( см. кота выше), а также статическое прилипание к одежде.
В непроводниках электроны связаны с атомами или молекулами и не могут свободно перемещаться вокруг объекта, как в проводниках; однако они могут немного двигаться внутри молекул. Если положительный заряд переносится рядом с непроводящим объектом, электроны в каждой молекуле притягиваются к нему и перемещаются в сторону молекулы, обращенную к заряду, в то время как положительные ядра отталкиваются и слегка перемещаются на противоположную сторону молекулы. Поскольку отрицательные заряды теперь ближе к внешнему заряду, чем положительные, их притяжение больше, чем отталкивание положительных зарядов, что приводит к небольшому чистому притяжению молекулы к заряду. Это называется поляризацией., а поляризованные молекулы называются диполями . Этот эффект микроскопичен, но, поскольку молекул очень много, он создает достаточно силы для перемещения легкого объекта, такого как пенопласт. Это принцип работы пробкового электроскопа . [11]
Примечания [ править ]
- ^ a b «Электростатическая индукция» . Энциклопедия Britannica Online . Энциклопедия Britannica, Inc. 2008 . Проверено 25 июня 2008 .
- ^ «Электричество» . Британская энциклопедия, 11-е изд . 9 . The Encyclopdia Britannica Co., 1910. стр. 181 . Проверено 23 июня 2008 .
- ^ a b c d e f g h я Перселл, Эдвард М .; Дэвид Дж. Морин (2013). Электричество и магнетизм . Cambridge Univ. Нажмите. С. 127–128. ISBN 978-1107014022.
- ^ a b Коуп, Томас А. Дарлингтон. Физика . Библиотека Александрии. ISBN 1465543724.
- ^ Хэдли, Гарри Эдвин (1899). Магнетизм и электричество для начинающих . Macmillan & Company. п. 182.
- ^ a b Саслоу, Уэйн М. (2002). Электричество, магнетизм и свет . США: Academic Press. С. 159–161. ISBN 0-12-619455-6.
- ^ Шервуд, Брюс А .; Рут В. Чабай (2011). Материя и взаимодействия (3-е изд.). США: Джон Уайли и сыновья. С. 594–596. ISBN 978-0-470-50347-8.
- ^ Пол Э. Типпенс, Электрический заряд и электрическая сила , презентация PowerPoint, стр. 27-28, 2009 г., S. Polytechnic State Univ. Архивировано 19 апреля 2012 года в Wayback Machine на сайте DocStoc.com.
- ^ Хендерсон, Том (2011). «Зарядные взаимодействия» . Статическое электричество, Урок 1 . Кабинет физики . Проверено 1 января 2012 .
- ^ Винн, Уилл (2010). Введение в понятную физику. 3: Электричество, магнетизм и свет . США: Авторский дом. п. 20.4. ISBN 978-1-4520-1590-3.
- ^ Каплан MCAT Physics 2010-2011 . США: Kaplan Publishing. 2009. с. 329. ISBN. 978-1-4277-9875-6. Архивировано из оригинала на 2014-01-31.
Внешние ссылки [ править ]
- СМИ, связанные с электростатической индукцией, на Викискладе?
- «Зарядка электростатической индукцией» . Центр подготовки к экзаменам Regents . Городской школьный округ Освего. 1999. Архивировано из оригинала на 2008-08-28 . Проверено 25 июня 2008 .
