Зарядка объекта индукцией
Электроскоп с позолотой, показывающий индукцию до заземления клеммы.
Использование электроскопа для демонстрации электростатической индукции. Устройство имеет листья / иглу, которые заряжаются при поднесении к нему заряженного стержня. Листья сгибают лист / иглу, и чем сильнее статическое электричество, тем сильнее изгибается.
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 прерывается, 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 получает общий 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 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 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, который только что прошел 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. Два правила индукции:
- Если объект не заземлен, близлежащий заряд вызовет одинаковые и противоположные заряды в объекте.
- Если какая-либо часть объекта на мгновение заземляется, когда индуцирующий заряд находится рядом, заряд, полярность которого противоположна индуцирующему, будет притягиваться от земли к объекту, и он останется с зарядом, противоположным индуцирующему заряду.
Мешают файлы от мессенджеров Whatsapp и Viber
Когда мы принимаем или отправляем сообщения через Ватцап или Вайбер, то эти файлы автоматически сохраняются в определенные папки. Фото, водео, звуковые сообщения. Мы их не замечаем, но они есть. Вот нужно их найти и удалить! И места в памяти телефона станет значительно больше!
Электростатическая индукция в коммерческих приложениях
В прошлом электростатическая индукция использовалась для создания генераторов высокого напряжения, известных как машины влияния . Главный компонент, появившийся в то время, — это конденсатор . Электростатическая индукция также используется для электромеханического осаждения или проецирования. В таких технологиях заряженные частицы небольшого размера намеренно собираются или осаждаются на поверхности. Области применения варьируются от электростатических фильтров до электростатических покрытий и струйной печати . Недавно новая технология беспроводной передачи энергии была основана на электростатической индукции между колеблющимися удаленными диполями.
Объяснение
Демонстрация индукции, 1870-е гг. Положительный вывод электростатической машины (справа) помещен рядом с незаряженным латунным цилиндром (слева) , в результате чего левый конец приобретает положительный заряд, а правый — отрицательный. Небольшие электроскопы с пробковыми шариками, свисающие снизу, показывают, что заряд сосредоточен на концах.
Арахис из пенопласта цепляется за кошачью шерсть. Статическое электричество , что создает на мехе вызывает поляризацию молекул пенопласта за счетом электростатической индукции, что приводит к незначительному притяжению пенопласта к заряженному меху.
Нормальный незаряженный кусок материи имеет равное количество положительных и отрицательных электрических зарядов в каждой своей части, расположенных 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 выходят за пределы 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 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.
Индукционный ток правило
Определяющее направление индукционного тока правило звучит следующим образом: «Индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван». Правая рука развернута ладонью навстречу магнит¬ным силовым линиям, при этом большой палец направлен в сторону движения проводника, а четыре пальца по-казывают, в каком направлении будет течь индукционный ток. Перемещая проводник, мы перемещаем вместе с проводчиком все электроны, заключенные в нем, а при перемещении в магнитном поле электрических зарядов на них будет действовать сила по правилу левой руки.
Направление индукционного тока
Направление индукционного тока, как и его величина, определяется правилом Ленца, в котором говорится, что направление индукционного тока всегда ослабляет действие фактора, возбудившего ток. При изменении потока магнитного поля через контур направление индукционного тока будет таким, чтобы скомпенсировать эти изменения. Когда магнитное поле возбуждающее ток в контуре создается в другом контуре, направление индукционного тока зависит от характера изменений: при увеличении внешнего тока индукционный ток имеет противоположное направление, при уменьшении — направлен в ту же сторону и стремиться усилить поток.
Индукционный ток в катушке
Катушка с индукционным током имеет два полюса (северный и южный), которые определяются в зависимости от направления тока: индукционные линии выходят из северного полюса. Приближение магнита к катушке вызывает появление тока с направлением, отталкивающим магнит. При удалении магнита ток в катушке имеет направление, способствующее притягиванию магнита.
Индукционный ток возникает
Индукционный ток возникает в замкнутом контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Контур может быть как неподвижным (помещенным в изменяющийся поток магнитной индукции), так и движущимся (движение контура вызывает изменение магнитного потока). Возникновение индукционного тока обуславливает вихревое электрическое поле, которое возбуждается под воздействием магнитного поля.
Как создать индукционный ток
О том, как создать кратковременный индукционный ток можно узнать из школьного курса физики.
Для этого есть несколько способов:
- — перемещение постоянного магнита или электромагнита относительно катушки,
- — перемещение сердечника относительно вставленного в катушку электромагнита,
- — замыкание и размыкание цепи,
- — регулирование тока в цепи.
Сила индукционного тока
Основной закон электродинамики (закон Фарадея) гласит, что сила индукционного тока для любого контура равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через контур, взятой со знаком минус. Сила индукционного тока носит название электродвижущей силы.
А)плотность заряда
Если заряженное тело
велико, то нужно знать распределение
зарядов внутри тела.
Объемная
плотность заряда– измеряется зарядом
единицы объема:
Поверхностная
плотность заряда– измеряется зарядом
единицы поверхности тела (когда заряд
распределяется по поверхности):
Линейная
плотность заряда(распределение
заряда вдоль проводника):
б) вектор
электростатической индукции
Вектором
электростатической индукции
(вектором электрического
смещения) называется векторная величина,
характеризующая электрическое поле.
Вектор
равен произведению векторана абсолютную диэлектрическую
проницаемость среды в данной точке:
Проверим
размерность D
в системе единиц СИ:
,
т.к.,
то
размерности D
и Е не совпадают, а также различны и их
численные значения.
Из
определения
следует, что для поля вектораимеет место тот же принцип суперпозиции,
как и для поля:
Поле
графически изображается линиями
индукции, точно так же как и поле.
Линии индукции проводятся так, что
касательная в каждой точке совпадает
с направлением
,
а число линий равно численному значениюD
в данном месте.
Чтобы
понять смысл введения
рассмотрим пример.
|
ε> 1 |
на границе |
|
|
Для |
, Таким |
в) поток
вектора электростатической индукции
Рассмотрим
в электрическом поле поверхность S
и выберем направление нормали
1.
Если поле однородно, то число силовых
линий через поверхность S:
|
N где N |
2.
Если поле неоднородно, то поверхность
разбивают на бесконечно малые элементы
dS,
которые считают плоскими и поле возле
них однородным. Поэтому поток через
элемент поверхности равен: dN
= DndS,
а полный поток через
любую поверхность:
(6)
Поток
индукции N
– величина скалярная; в зависимости от
может быть > 0 или < 0, или = 0.
|
N (7) |
Граничные условия.
Рассмотрим границу двух диэлектриков, на которые наложено внешнее поле
. Под действием
внешнего поля оба диэлектрика поляризуются и вблизи границы в каждом из них
появятся поляризационные заряды (рис.11.11). Они создадут собственное поле
причем в обоих диэлектриках поле направлено в разные стороны. Если для определенности
считать, что |s1|>|s2|,
то поля направлены от поверхности. Так как электрическое поле заряженной поверхности
перпендикулярно ей, то касательные составляющие результирующего поля равны друг другу
(11.26)
Нормальные же составляющие терпят разрыв
Если кроме поляризационных зарядов на границе имеются еще и свободные заряды
с поверхностной плотностью s, то
;
или
(11.30)
Формулы (11.26) и (11.30) называются граничными условиями для касательной составляющей напряженности
и нормальной составляющей индукции электрического поля.
Если на поверхности есть свободный заряд, то электрическая индукция терпит разрыв.
Если такого заряда нет, то индукция непрерывна.
Взаимодействие полей
Вокруг каждой концентрации зарядов (+ и -) с краев проводящего материала возникает собственное поле. Оно вступает во взаимодействие с внешним, причем направлено встречно ему. Перераспределение вызывает уменьшение поля зарядов, это происходит до тех пор, пока его напряженность в самом проводнике не станет равна нулю. Кроме того, концентрация зарядов искажает линии напряженности внешнего поля таким образом, что они становятся перпендикулярными материалу. Ранее мы специально указали, что речь идет о незаряженном проводнике. Электростатическая индукция характеризуется тем, что хотя в попавшем в электрическое поле проводнике происходит распределение зарядов, он так и остается незаряженным.
Поляризованность.
Будем считать, что нейтральная молекула (или атом) в
диэлектрике под воздействием электрического поля превращаются в диполь, который
имеет дипольный момент
(11.1)
|
rem: В некоторых диэлектриках и без внешнего поля уже есть диполи. О причинах (см. ). |
Для количественной характеристики поляризации диэлектрика служит физическая
величина, которая называется поляризованностью.
|
def: Поляризованностью диэлектрика называется электрический дипольный момент всех молекул в единице объема диэлектрика. (11.2) |
Если диэлектрик однородный и смещение зарядов по всему объему одинаково, то
поляризованность (устаревшее название — вектор поляризации) будет однородна.
Возьмем тонкую диэлектрическую пластинку и выделим в
ней элементарный объем в виде наклонного цилиндра с образующей, параллельной
полю (рис.11.5). Ясно, что объем этого цилиндра , где
a — угол между направлением поля и нормалью. Поляризованность всего
объема цилиндра . С другой
стороны это есть не что иное, как дипольный момент системы зарядов на поверхностях
, где — поверхностная
плотность связанных зарядов. Так как и
имеют одно направление, то, приравняв, получим
или
(11.6)
где — проекция
вектора поляризованности на внешнюю нормаль к соответствующей поверхности. Для
правой поверхности (см. рис.) >0 и
s>0, для левой
<0 и
s<0. Нормальная составляющая поляризованности представляет количество
электричества (заряд), смещаемого через единичную площадку в направлении нормали к ней.
Вызванное обвинение проживает на поверхности
Так как мобильные обвинения в интерьере металлического объекта свободны перемещаться в любом направлении, никогда не может быть статической концентрации обвинения в металле; если бы было, то противоположное обвинение в полярности привлекло бы нейтрализовать его. Поэтому в индукции, мобильные обвинения перемещаются под влиянием внешнего обвинения, пока они не достигают поверхности металла и собираются там, где они ограничены от перемещения границей.
Это устанавливает важный принцип, что электростатические обвинения на проводящих объектах проживают на поверхности объекта. Внешние электрические поля вызывают поверхностные обвинения на металлических объектах, которые точно отменяют область в пределах. Так как область — градиент электростатического потенциала, другой способ сказать, что это — то, что в electrostatics, потенциал (напряжение) всюду по проводящему объекту постоянный.
Электростатическая область в проводящем объекте — ноль
Остающийся вопрос состоит в том, насколько большой вызванные обвинения. Движение обвинения вызвано силой, проявленной электрическим полем внешнего заряженного объекта согласно закону Кулона. В то время как обвинения в металлическом объекте продолжают отделяться, получающиеся положительные и отрицательные области создают свое собственное электрическое поле, которое выступает против области внешнего обвинения. Этот процесс продолжается, до очень быстро (в рамках доли секунды) равновесие достигнуто, в котором вызванные обвинения — точно правильный размер, чтобы отменить внешнее электрическое поле всюду по интерьеру металлического объекта. Тогда остающиеся мобильные обвинения (электроны) в интерьере металла больше не чувствуют силы и чистого движения остановок обвинений.
Перемещение заряженных частиц в проводящих материалах
Представим, что в разрыв электрической цепи, состоящей из амперметра, резистора и источника электродвижущей силы (ЭДС), включается сухой деревянный брусок. Стрелка измерительного прибора останется на цифре «ноль». А вот если дерево заменить металлом, то амперметр покажет установившееся значение силы тока, протекающего по цепочке. Следовательно, в зависимости от сопротивления прохождению тока все вещества можно условно разделить на три больших группы – проводники, диэлектрики и полупроводники. Наиболее известными представителями первой группы являются твердые металлы.
Объяснение
нормальной незаряженной части вопроса есть равные количества положительных и отрицательных электрических зарядов в каждой части его, расположенный близко друг к другу, таким образом, ни у какой части его нет чистого электрического заряда. Положительные заряды — ядра атомов, которые связаны в структуру вопроса и не свободны перемещаться. Отрицательные заряды — электроны атомов. В электрически проводящих объектах, таких как металлы, некоторые электроны в состоянии переместиться свободно о в объект.
Когда заряженный объект принесен около незаряженного, электрически проводящего объекта, такого как кусок металла, сила соседнего обвинения из-за закона Кулона вызывает разделение этих внутренних обвинений. Например, если положительное обвинение будет предъявлено около объекта (см. картину в праве), то электроны в металле будут привлечены к нему и двинутся в сторону объекта, стоящего перед ним. Когда электроны перемещаются из области, они оставляют неуравновешенный положительный заряд из-за ядер. Это приводит к области отрицательного заряда на объекте, самом близком к внешнему обвинению и области положительного заряда на части далеко от него. Их называют вызванными обвинениями. Если внешнее обвинение будет отрицательно, то полярность заряженных областей будет полностью изменена.
Так как этот процесс — просто перераспределение обвинений, которые уже были в объекте, он не изменяет полное обвинение на объекте; у этого все еще нет чистого обвинения. Этот эффект индукции обратим; если соседнее обвинение удалено, привлекательность между положительными и отрицательными внутренними обвинениями заставляют их смешиваться снова.
Электростатические генераторы
Наличие дисбаланса поверхностных зарядов означает, что объекты будут проявлять силы притяжения или отталкивания. Этот дисбаланс поверхностных зарядов, который приводит к статическому электричеству, может быть создан путем соприкосновения двух различных поверхностей вместе и последующего разделения их из-за явления контактной электризации и трибоэлектрического эффекта . Трение двух непроводящих предметов создает большое количество статического электричества. Это не просто результат трения; две непроводящие поверхности могут стать заряженными, если их просто положить друг на друга. Поскольку большинство поверхностей имеют шероховатую текстуру, заряд при контакте занимает больше времени, чем при трении. Трение предметов друг о друга увеличивает адгезионный контакт между двумя поверхностями. Обычно изоляторы , например вещества, не проводящие электричество, хороши как для генерирования, так и для удержания поверхностного заряда. Некоторыми примерами этих веществ являются резина , пластик , стекло и пробка . Электропроводящие объекты редко создают дисбаланс заряда, за исключением, например, случаев, когда на металлическую поверхность воздействуют твердые или жидкие непроводники. Заряд, который передается при контактной электризации, сохраняется на поверхности каждого объекта. Электростатические генераторы , устройства, вырабатывающие очень высокое напряжение при очень низком токе и используемые для демонстрации физики в классе, полагаются на этот эффект.
Наличие электрического тока не уменьшает электростатические силы, искрообразование, коронный разряд или другие явления. Оба явления могут существовать одновременно в одной системе.
- См. Также: машина Вимшерста и генератор Ван де Граафа .
Объемные заряды в диэлектриках.
Если вектор поляризованности различен в разных точках
пространства, то есть поляризация неоднородная, то в диэлектрике могут появиться
и объемные заряды. Рассмотрим внутри неоднородно поляризованного диэлектрика
б/м объем dV (рис.11.6). Поляризованность в точке М(x,y,z) равна
. Тогда положительный заряд
на грани 1234 (выходящий из объема dV) равен (q=sS)
а заряд на грани 5678 (входящий в объем dV)
Разность этих зарядов
.
По смыслу — это заряд, который должен образоваться внутри объема, чтобы нейтрализовать
действие внешнего поля.
Ясно, что аналогичная ситуация должна быть и на других гранях, то есть образующийся
внутри объема dV заряд должен равняться
(11.10)
С другой стороны, этот же заряд равен , где
— объемная плотность связанных зарядов. Очевидно,
что в скобках формулы (11.10) стоит оператор дивергенции. Тогда
(11.13)
Преломление линий электрической индукции.
Из рисунка 11.12 видно, что
тогда
Таким образом, на границе двух диэлектриков линии электрической индукции преломляются.
(11.34)
В однородном изотропном диэлектрике индукция и напряженность сонаправлены, следовательно,
линии напряженности преломляются аналогично. Однако картины линий индукции и
линий напряженности будут все же различны. Линии индукции непрерывны, а линии
напряженности частично прерываются на границе раздела. На рис.11.13а и 11.13б
показано преломление электрического поля на бесконечной плоскопараллельной диэлектрической
пластинке. Угадайте, где линии индукции, а где напряженности?
На рис.11.13в показаны линии индукции для пластинки
конечных размеров. Когда линии индукции переходят из среды с меньшей проницаемостью
в среду с большей проницаемостью, то вследствие преломления они оказываются
ближе друг к другу. В этом смысле можно говорить, что в диэлектрике эти линии сгущаются.
На рис.11.14 изображено изменение однородного поля при внесении в него диэлектрического
шара (или цилиндра, ось которого перпендикулярна плоскости чертежа).
Диэлектрическая проницаемость шара на рис.11.14а больше, а на рис.11.14б меньше
диэлектрической проницаемости среды. В первом случае линии индукции концентрируются,
а во втором случае становятся более редкими.
Для описания полого диэлектрика предоставим слово профессору А.А.Эйхенвальду.
«Если въ какомъ-нибудь полъ помъстить
полый дiэлектрикъ, напръмеръ, въ видъ цилиндра, то вслъдствiе концентрацiи линiй силъ въ дiэлектрикъ
внутри его полости поле будетъ ослаблено (рис.11.15). Это ослабленiе будетъ тъмъ значительнъе,
чъмъ совершеннъе замкнута сама полость и чъмъ больше дiэлектрическая постоянная дiэлектрика. Если же
будетъ помъщенъ полый проводникъ, то во внутренней полости совсъмъ не будет линiй силъ(рис.11.16)».
Электрическая индукция и напряженность (лучше не читать).
До сих пор мы говорили об однородном изотропном диэлектрике.
Если вещество анизотропно, то связь между индукцией и напряженностью усложняется.
Они уже не обязательно должны быть сонаправлены друг с другом. Как известно,
связь между двумя произвольными векторами осуществляется с помощью тензора второго
ранга. Таким тензором и является диэлектрическая проницаемость.
, где i,j=x,y,z
Если еще электрические поля достаточно сильные, например, в лазерах, то связь еще более усложняется
, где i,j=x,y,z (11.24)
Поясним, что суммирование идет по повторяющимся индексам. Линейная зависимость
нарушается и в некоторых веществах (см. лекцию №12).
Измерение индукции и напряженности.
Физики всегда радуются,
когда удается указать принципиальный способ измерения какой-либо величины. Вырежем
внутри диэлектрика длинную узкую полость вдоль поля и поместим туда пробный
заряд, равный 1 Кл. (рис.11.17). Влиянием поляризационных зарядов на торцах
полости можно пренебречь, поэтому поле будет создаваться только зарядами у внешней
поверхности диэлектрика, а это и есть напряженность внутри диэлектрика. Следовательно,
напряженность численно равна силе, которую можно измерить механическими способами.
Теперь вырежем полость поперек поля (рис.11.18)
Поля наружных и внутренних поляризационных зарядов компенсируют друг друга,
и останется только внешнее поле, а его индукция и есть индукция внутри диэлектрика
в соответствии с (11.30). Следовательно, измеряем силу, умножаем на e
и получаем индукцию внутри диэлектрика.
Конечно, эти способы представляют только теоретический интерес. Для однородного
поля все гораздо проще. Измерив разность потенциалов между пластинами, и зная
расстояние между ними, определяем напряженность E=Dj/d,
опираясь на связь напряженности и потенциала (7.8).
Построив на любой из пластин поверхность в форме консервной банки и применив
теорему Гаусса (11.21), имеем D=q/S,
то есть нужно определить заряд на пластинах и измерить их площадь.
Некоторые дополнения.
Следует отметить, что название «электрическое смещение»
подходит только к поляризационной составляющей вектора электрической индукции,
связанной с присутствием вещества и его перестройкой (смещением зарядов) во
внешнем поле. В вакууме эта часть исчезает, но тем не менее индукция и там не равна нулю.
При изучении переменных полей мы увидим, что именно эта величин определяет так называемый ток смещения.
В заключении нужно подчеркнуть, что индукция и напряженность
представляют собой различные физические величины с различным физическим смыслом.
Однако в некоторых случаях, например для описания электрического поля в вакууме
достаточно только одного вектора напряженности электрического поля.
