Inducția electrostatică
Inducția electrostatică este o redistribuire a sarcinii electrice într-un obiect, cauzată de influența sarcinilor din apropiere. În prezența unui corp încărcat, un conductor izolat dezvoltă o sarcină pozitivă pe un capăt și o sarcină negativă la celălalt capăt. Inducția a fost descoperită de cercetătorul britanic John Canton în 1753 și de profesorul suedez Johan Carl Wilcke în 1762. Generatoarele electrostatice, cum ar fi mașina Wimshurst, generatorul Van de Graaff și electroforul, utilizează acest principiu. Datorită inducției, potențialul (tensiunea) electrostatic este constant în orice punct al unui conductor. Inducția electrostatică este, de asemenea, responsabilă pentru atragerea obiectelor neconductoare ușoare, cum ar fi baloanele, resturile de hârtie sau poliamida, la încărcarea electrică statică. Legile electrostatice de inducție se aplică în situații dinamice în măsura în care aproximația quasistatică este valabilă. Inducâia electrostatică nu trebuie confundată cu inducția electromagnetică.
Explicaţie
(Demonstrație de inducție, în anii 1870. Terminalul pozitiv al unei mașini electrostatice (dreapta) este amplasat lângă un cilindru de alamă (stânga) neîncărcat, determinând capătul stâng să dobândească o sarcină pozitivă și cel drept o sarcină negativă. Miezul electroscopului cu bile agățat din partea de jos arată că sarcina este concentrată la capete.)
O bucată de material normală neîncărcată are un număr egal de sarcini electrice pozitive și negative în fiecare parte a ei, situate aproapiate, astfel încât nicio parte din ea nu are o sarcină electrică netă. Sarcinile pozitive sunt nucleele atomilor care sunt legate în structura materiei și nu sunt libere să se miște. Sarcinile negative sunt electronii atomilor. În obiecte electrice conductive, cum ar fi metalele, unii dintre electroni se pot mișca liber în obiect.
Atunci când un obiect încărcat este adus aproape de un obiect neîncărcat, conductiv din punct de vedere electric, cum ar fi o bucată de metal, forța sarcinii din apropiere, datorată legii lui Coulomb, determină o separare a acestor sarcini interne. De exemplu, dacă o sarcină pozitivă este adusă în apropierea obiectului, electronii din metal vor fi atrasi de el și se vor muta spre sarcina pozitivă. Când electronii se mișcă dintr-o zonă, părăsesc o sarcină pozitivă care rămâne neechilibrată. Aceasta are ca rezultat o regiune de sarcină negativă a obiectului, apropiată de sarcina externă, și o regiune de sarcină pozitivă pe partea opusă. Acestea se numesc sarcini induse. Dacă sarcina externă este negativă, polaritatea regiunilor încărcate va fi inversată.
Deoarece acest proces este doar o redistribuire a sarcinilor care au fost deja în obiect, acesta nu modifică sarcina totală a obiectului; aceasta nu are încă nicio sarcină netă. Acest efect de inducție este reversibil; în cazul în care sarcina din apropiere este eliminată, atracția dintre sarcinile interne pozitive și negative le face să se amestece din nou.
(Folosind un electroscop pentru a arăta inducția electrostatică. Când electroscopul este atins cu o tijă de ebonită încărcată negativ, electroscopul rămâne încărcat permanent. Când tija este adusă în apropierea capului electroscopului (FĂRĂ CONTACT ), electroscopul este încărcat din nou. Dar când tija este îndepărtată, electroscopul este din nou neutru. Acest fenomen se numește inducție electrostatică. În acest caz, obiectul este încărcat numai în timp ce există o prezență a tijei încărcate. Electronii negativi sunt respinși de tija negativă și sunt concentrați în frunzele electroscopului. Astfel, ele sunt negative, în timp ce capul electroscopului este pozitiv. Este similar când se utilizează tija de sticlă. Deoarece este încărcată pozitiv, electronii sunt atrași de cap și acționează ca sarcini negative, în timp ce frunzele sunt încărcate pozitiv. Când tija este aproape de electroscop și dacă experimentatorul atinge capul electroscopului, electronii negativi sunt respinși în corpul experimentatorului. Când experimentatorul îndepărtează degetul, electroscopul rămâne pozitiv. Experiență pregătită, realizată și explicată de prof. Oliver Zajkov la Institutul de Fizică la Ss. Universitatea Cyril și Methodius din Skopie, Macedonia.)
Încărcarea unui obiect prin inducție
(Electroscop de frunze de aur, care arată inducția, înainte ca terminalul să fie legat la pământ.)
Efectul de inducție poate fi, de asemenea, utilizat pentru a induce o sarcină netă pe un obiect. Dacă în timp ce se află în apropierea sarcinii pozitive, obiectul de mai sus este conectat momentan printr-o cale conductivă către solul conductiv electric, care este un rezervor mare de sarcini pozitive și negative, unele dintre sarcinile negative din sol vor curge în obiect , sub atracția sarcinilor pozitive din apropiere. Când contactul cu solul este întrerupt, obiectul rămâne cu o sarcină negativă netă.
Această metodă poate fi demonstrată utilizând un electroscop cu frunze de aur, care este un instrument pentru detectarea sarcinii electrice. Electroscopul este mai întâi descărcat, iar un obiect încărcat este apoi adus aproape de terminalul superior al instrumentului. Inducția determină o separare a sarcinilor din interiorul tijei metalice a electroscopului, astfel încât terminalul superior obține o sarcină netă de polaritate opusă celei a obiectului, în timp ce frunzele de aur dobândesc o sarcină cu aceeași polaritate. Deoarece ambele frunze au aceeași sarcină, ele se resping reciproc și se separă. Electroscopul nu a dobândit o sarcină netă: sarcina din el a fost doar redistribuită, deci dacă obiectul încărcat ar fi mutat departe de electroscop, frunzele se vor reuni din nou.
Dar, dacă se face un contact electric între terminalul electroscopului și sol, de exemplu prin atingerea terminalului cu degetul, aceasta determină o sarcină să curgă de la sol la terminal, atrasă de sarcina de pe obiectul apropiat de terminal. Această sarcină neutralizează sarcina din frunzele de aur, deci frunzele se reunesc din nou. Electroscopul conține acum o sarcină netă opusă în polaritate cu cea a obiectului încărcat. Atunci când contactul electric cu pământul este întrerupt, de ex. prin ridicarea degetului, sarcina suplimentară care tocmai a intrat în electroscop nu poate scăpa, iar instrumentul reține o sarcină netă. Sarcina este menținută în partea superioară a terminalului electroscopului prin atragerea sarcinii de inducție. Dar când sarcina de inducție este îndepărtată, sarcina este eliberată și se extinde prin terminalele electroscopului la frunze, astfel încât frunzele de aur se despartdin nou.
Semnul sarcinii rămase pe electroscop după împământare este întotdeauna opus sarcinii externă de inducție. Cele două reguli de inducție sunt:
- Dacă obiectul nu este împământat, sarcina din apropiere va induce sarcini egale și opuse în obiect.
- Dacă o parte a obiectului este momentan împământată în timp ce sarcina de inducție este apropiată, o sarcină opusă în polaritate cu sarcina de inducție va fi atrasă de la sol în obiect și acesta va rămâne cu o sarcină opusă sarcinii de inducție.
(Bobina primară din încărcător induce un curent în bobina secundară din dispozitivul încărcat. )
Încărcarea inductivă utilizează un câmp electromagnetic pentru a transfera energia între două obiecte prin inducție electromagnetică. Acest lucru se face, de obicei, cu o stație de încărcare. Energia este trimisă printr-o cuplare inductivă la un dispozitiv electric, care poate apoi să utilizeze acea energie pentru a încărca bateriile sau pentru a face dispozitivul să funcționeze.
Încărcătoarele prin inducție folosesc o bobină de inducție pentru a crea un câmp electromagnetic alternativ din interiorul unei baze de încărcare, iar o a doua bobină de inducție din dispozitivul portabil ia energie din câmpul electromagnetic și o transformă în curent electric pentru a încărca bateria. Cele două bobine de inducție din proximitate se combină pentru a forma un transformator electric. Distanțe mai mari între bobinele transmițătorului și receptorului pot fi obținute atunci când sistemul de încărcare inductiv utilizează cuplajul inductiv rezonant.
Îmbunătățirile recente ale acestui sistem rezonant includ folosirea unei bobine mobile de transmisie (adică montată pe o platformă sau braț de ridicare) și utilizarea altor materiale pentru bobina receptorului din cupru sau uneori din aluminiu pentru a reduce la minim greutatea și a reduce rezistența datorată efectului pelicular.
Sarcina indusă se găsește pe suprafață
Deoarece sarcinile mobile din interiorul unui obiect metalic sunt libere să se miște în orice direcție, nu poate exista niciodată o concentrație statică de sarcini în interiorul metalului; dacă ar exista, ar atrage o sarcină de polaritate opusă pentru a o neutraliza. Prin urmare, în inducție, sarcinile mobile se deplasează sub influența sarcinii externe până când ajung la suprafața metalului și se adună acolo, unde sunt constrânse să se deplaseze la suprafață.
Aceasta stabilește principiul important că sarcinile electrostatice pe obiecte conductive se află pe suprafața obiectului. Câmpurile electrice externe induc sarcini de suprafață pe obiecte metalice care anulează exact câmpul.
Tensiunea în tot obiectul conductiv este constantă
Potențialul sau tensiunea electrostatică între două puncte este definită ca energia (lucrul mecanic) necesară pentru a muta o sarcină mică printr-un câmp electric între cele două puncte, împărțită la mărimea sarcinii. Dacă există un câmp electric direcționat de la punctul b la punctul a, atunci acesta va exercita o forță pe o sarcină care se deplasează de la a la b. Trebuie să se execute un lucru mecanic asupra sarcinii cu o forță care să o facă să se deplaseze la b împotriva forței opuse a câmpului electric. Astfel, energia potențialului electrostatic al sarcinii va crește. Deci, potențialul de la punctul b este mai mare decât la punctul a. Câmpul electric E în orice punct este gradientul (rata de schimbare) a potențialului electrostatic V:
∇V = E
Deoarece nu poate exista câmp electric în interiorul unui obiect conductiv care să exercite forța pe sarcini (E = 0), într-un obiect conductiv, gradientul potențialului este zero
∇V = 0
Un alt mod de a spune este că, în electrostatică, inducția electrostatică asigură că potențialul (tensiunea) prin tot obiectul conductiv este constant.
Lasă un răspuns