Încărcarea conductorilor cu sarcini electrice prin inducție

Să examinăm mai detaliat ce se întâmplă într-un conductor atunci când un obiect încărcat electric este adus aproape de acesta. După cum am menționat, electronii de conducție din conductor se pot mișca aproape complet. Drept urmare, atunci când un izolator încărcat (cum ar fi o tijă de sticlă încărcată pozitiv) este adus aproape de conductor, sarcina (totală) de pe izolator exercită o forță electrică asupra electronilor de conducție. Deoarece tija este încărcată pozitiv, electronii de conducție (care ei înșiși sunt încărcați negativ) sunt atrași, curgând spre izolator către partea apropiată a conductorului (Figura 5.10).

Acum, conductorul este încă în general neutru din punct de vedere electric; electronii de conducție și-au schimbat poziția, dar se află încă în materialul conductor. Cu toate acestea, conductorul are acum o distribuție a sarcinii; capătul apropiat (porțiunea conductorului cea mai apropiată de izolator) are acum mai multă sarcină negativă decât sarcină pozitivă, iar inversul este valabil pentru capătul cel mai îndepărtat de izolator. Relocarea sarcinilor negative pe partea apropiată a conductorului are ca rezultat o sarcină pozitivă generală în partea conductorului cea mai îndepărtată de izolator. Am creat astfel o distribuție a sarcinii electrice acolo unde nu exista înainte. Acest proces este denumit inducerea polarizării – în acest caz, polarizarea conductorului. Separarea rezultată a sarcinii pozitive și negative se numește polarizare, iar un material, sau chiar o moleculă, care prezintă polarizare se numește polarizată. O situație similară apare și cu un izolator încărcat negativ, dar polarizarea rezultată este în direcția opusă.

Figura 5.10 Polarizare indusă. O tijă de sticlă încărcată pozitiv este adusă aproape de partea stângă a sferei conductoare, atrăgând sarcină negativă și lăsând cealaltă parte a sferei încărcată pozitiv. Deși sfera este în general încă neutră din punct de vedere electric, are acum o distribuție a sarcinii, astfel încât poate exercita o forță electrică asupra altor sarcini din apropiere. În plus, distribuția este astfel încât va fi atrasă de tija de sticlă.

Rezultatul este formarea a ceea ce se numește dipol electric, dintr-o expresie latină care înseamnă „două capete”. Prezența sarcinilor electrice pe izolator – și forțele electrice pe care le aplică electronilor de conducție – creează sau „induce” dipolul în conductor.

Obiectele neutre pot fi atrase de orice obiect încărcat. Bucățile de paie atrase de chihlimbarul lustruit sunt neutre, de exemplu. Dacă treceți un pieptene de plastic prin păr, pieptenele încărcat poate ridica bucăți neutre de hârtie. Figura 5.11 arată cum polarizarea atomilor și moleculelor din obiectele neutre are ca rezultat atracția lor către un obiect încărcat.

Figura 5.11 Atât obiectele pozitive, cât și cele negative atrag un obiect neutru prin polarizarea moleculelor sale. (a) Un obiect pozitiv adus în apropierea unui izolator neutru polarizează moleculele acestuia. Există o ușoară schimbare în distribuția electronilor care orbitează molecula, sarcinile diferite fiind aduse mai aproape, iar sarcinile similare fiind îndepărtate. Deoarece forța electrostatică scade odată cu distanța, există o atracție netă. (b) Un obiect negativ produce polarizarea opusă, dar atrage din nou obiectul neutru. (c) Același efect se produce și pentru un conductor; deoarece sarcinile diferite sunt mai apropiate, există o atracție netă.

Când o tijă încărcată este adusă în apropierea unei substanțe neutre, un izolator în acest caz, distribuția sarcinii în atomi și molecule este ușor deplasată. Sarcina opusă este atrasă mai aproape de tija încărcată externă, în timp ce sarcina similară este respinsă. Deoarece forța electrostatică scade odată cu distanța, repulsia sarcinilor similare este mai slabă decât atracția sarcinilor diferite, așadar există o atracție netă. Astfel, o tijă de sticlă încărcată pozitiv atrage bucăți de hârtie neutre, la fel ca și o tijă de cauciuc încărcată negativ. Unele molecule, cum ar fi apa, sunt molecule polare. Moleculele polare au o separare naturală sau inerentă a sarcinilor, deși sunt neutre în general. Moleculele polare sunt afectate în mod special de alte obiecte încărcate și prezintă efecte de polarizare mai mari decât moleculele cu distribuții uniforme de sarcină în mod natural.

Când cele două capete ale unui dipol pot fi separate, această metodă de încărcare prin inducție poate fi utilizată pentru a crea obiecte încărcate fără a transfera sarcină. În Figura 5.12, vedem două sfere metalice neutre în contact una cu cealaltă, dar izolate de restul lumii. O tijă încărcată pozitiv este adusă lângă una dintre ele, atrăgând sarcina negativă către acea parte, lăsând cealaltă sferă încărcată pozitiv.

Figura 5.12 Încărcare prin inducție. (a) Două sfere metalice neîncărcate sau neutre sunt în contact una cu cealaltă, dar izolate de restul lumii. (b) O tijă de sticlă încărcată pozitiv este adusă lângă sfera din stânga, atrăgând sarcina negativă și lăsând cealaltă sferă încărcată pozitiv. (c) Sferele sunt separate înainte de îndepărtarea tijei, separând astfel sarcinile negative și cele pozitive. (d) Sferele își păstrează sarcinile nete după ce tija inductoare este îndepărtată – fără a fi fost vreodată atinse de un obiect încărcat.

O altă metodă de încărcare prin inducție este prezentată în Figura 5.13. Sfera metalică neutră este polarizată atunci când o tijă încărcată este adusă lângă ea. Sfera este apoi legată la pământ, ceea ce înseamnă că un fir conductor este condus de la sferă la pământ. Deoarece Pământul este mare și cea mai mare parte a pământului este un bun conductor, acesta poate furniza sau accepta cu ușurință excesul de sarcină. În acest caz, electronii sunt atrași de sferă printr-un fir numit fir de împământare, deoarece acesta furnizează o cale conductoare către masă. Conexiunea la masă este întreruptă înainte ca tija încărcată să fie îndepărtată, lăsând sfera cu o sarcină excesivă opusă celei a tijei. Din nou, o sarcină opusă se obține atunci când se încarcă prin inducție, iar tija încărcată nu își pierde nicio sarcină excesivă.

Figura 5.13 Încărcare prin inducție folosind o conexiune la masă. (a) O tijă încărcată pozitiv este adusă lângă o sferă metalică neutră, polarizând-o. (b) Sfera este legată la masă, permițând atragerea electronilor din sursa amplă de alimentare a Pământului. (c) Conexiunea la masă este întreruptă. (d) Tija pozitivă este îndepărtată, lăsând sfera cu o sarcină negativă indusă.

Sursa: University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu. © 2025 MultiMedia Publishing, Fizica, Vol. 1-3