Электростатическая индукция простыми словами: физика явления, формулы, применение

Электростатическая индукция – это явление разделения электрических зарядов и их распределение по поверхности проводника во внешнем электрическом поле.

Простое объяснение

Электростатическая индукция означает перераспределение носителей заряда в объекте, вызванное близлежащими электрическими зарядами. Это означает, что если поместить заряженный объект рядом с нейтральным проводником, то на одном конце проводника образуется положительный электрический заряд, а на другом – отрицательный. Благодаря этому влиянию измеряемый электрический потенциал также одинаков в каждой точке проводника.

Обычная незаряженная среда имеет равное количество положительных и отрицательных электрических зарядов в каждой точке среды. Они расположены близко друг к другу, поэтому преобладает нейтральный электрический заряд. Положительные электрические заряды – имеют ядра атомов. Они неподвижны в структуре вещества и поэтому не могут двигаться. Отрицательные электрические заряды – это электроны, связанные с атомными ядрами. В электропроводящих объектах некоторые из этих электронов могут свободно перемещаться в материале.

Если заряженный объект приблизить к нейтральному проводнику, это приведет к разделению электрических зарядов в проводнике. Это обусловлено действующей силой заряженного объекта, описываемой законом Кулона. То, как электрический заряд распределяется в проводнике, зависит от того, заряжен ли внешний объект положительно или отрицательно.

Если вы поднесете к проводнику положительно заряженный предмет, он притянет к себе отрицательно заряженные электроны проводника. Это приводит к появлению отрицательного электрического заряда в проводнике с той стороны, с которой вы приближаетесь к положительно заряженному объекту. Аналогично этому на противоположной от него стороне возникает скопление положительного электрического заряда. Эти зоны электрического заряда называются индуцированными электрическими зарядами. С другой стороны, если объект, к которому вы приближаетесь, заряжен отрицательно, то происходит обратный процесс.

Обратите внимание, что проводник по-прежнему не заряжен, поскольку число носителей электрического заряда остается прежним. Это всего лишь перераспределение электрического заряда. Процесс является обратимым. Если вы снова удалите внешний объект, электроны вернутся к своему первоначальному распределению.

Иллюстрация электростатической индукции
Рис. 1. Иллюстрация электростатической индукции

Физика и формулы, описывающие явление

Самый простой способ показать, что происходит во время электростатический индукции, — это использовать проводящую сферу. Даже если абсолютное число смещённых электронов кажется большим, сдвиг относительно невелик по отношению к общему количеству носителей электрического заряда. Это легче представить, посмотрев на распределение электрического заряда на поверхности сферы.

Если вы проводите эксперимент с электростатической индукцией, вы должны ограничить напряженность электрического поля значениями ниже Emax =105 В/м. Это предотвращает “фальсификацию результата” нежелательными разрядами. Такие разряды возникают в воздухе при значениях Eкрит =107 В/м – 109 В/м. Это напряженность электрического пробоя, которая описывает напряженность электрического поля, выше которой происходит пробой напряжения в изоляторе (диэлектрике). Обычно они имеют форму дуги или искры.

С помощью этого вы можете оценить поверхностную плотность электрического заряда σ на поверхности вашей сферы:

σ = 2 * Emax * ε0 * εr ≈ 1, 789 * 10-6 Кл/м²

Величины ε0 и εr обозначают соответственно абсолютную диэлектрическую проницаемость вакуума и относительную диэлектрическую проницаемость рассматриваемой среды.

Таким образом, на каждом квадратном сантиметре поверхности вашей сферы вы найдете избыточный электрический заряд в 1,8 * 10-10 Кл что соответствует 1,1 * 109 электронов. Количество электронов можно определить по заряду электрона, который равен e=1,602 * 10-19 Кл.

Конечно, теперь вам нужно знать, сколько атомов занимает примерно один квадратный сантиметр, чтобы вы могли определить соотношение. Если ваша сфера сделана из меди, то у вас есть около 8 * 1014 атомов в одном квадратном сантиметре. Каждый из этих атомов дает электрон проводимости. Теперь разделите количество дополнительных атомов в этом квадратном сантиметре на количество существующих.

1,1 * 109 / 8 * 1014 = 1,4 * 10-6 = 1 / 723 000 .

Итак, вы теперь знаете, что на почти 700 000 свободно движущихся электронов приходится еще один из-за электростатической индукции.

Электрические проводники

Как известно из закона Кулона, одноименные электрические заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. Благодаря этим знаниям, если вы поместите проводящий материал в электрическое поле или в непосредственной близости от заряженного объекта, вы измените плотность его электрического заряда. Неважно, положительно или отрицательно заряжен объект, потому что он будет отталкивать одноименные носители электрического заряда материала и притягивать разноимённые, как уже говорилось выше. Это создает в материале области с различной плотностью электрического заряда. Общая плотность электрического заряда проводника остается неизменной.

Вывод: электростатическая индукция не изменяет общий электрический заряд проводника .

Такое перераспределение электрического заряда наблюдается только на граничных поверхностях, т.е. на поверхности проводника. Поскольку носители электрического заряда могут свободно перемещаться внутри, электрическое поле в проводнике отсутствует.

Электростатическая индукция и поляризация

В отличие от проводников, носители электрического заряда в изоляторе (диэлектрике) не могут свободно перемещаться. В случае электростатической индукции это приводит к поляризации, то есть к образованию электрических полей на поверхности и внутри диэлектрика. Поляризация на стороне, обращенной в сторону от электрического поля, соответствует внешнему полю, а на стороне, обращенной к нему, имеет противоположный электрический заряд.

Такая форма поляризации называется поляризацией смещения (деформационной поляризацией). В этом процессе положительные атомные ядра смещаются в одном направлении, а отрицательная электронная оболочка – в другом.

В этом процессе электронная оболочка не деформируется. При переменном электрическом поле, можно наблюдать, что электронная оболочка раскачивается взад и вперед, как шарик на ниточке.

Электростатическая индукция в изоляторах
Рис. 2. Электростатическая индукция в диэлектриках (изоляторах)

Применение

Эффект электростатический индукции используется во многих процессах. Механические эффекты смещения носителей электрического заряда используются, например, в электроскопе. Он используется для измерения электрического напряжения без электрического тока.

В ускорителях частиц, через так называемые пеллетроны, электростатическая индукция используется для достижения высоких напряжений до 32 миллионов вольт.

Список использованной литературы

  1. Электризация через влияние. // Элементарный учебник физики / Под ред. Г.С. Ландсберга. — 13-е изд. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. — Т. 2. Электричество и магнетизм. — С. 24—27.
  2. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.