Elektrostatische Induktion - Electrostatic induction

Elektrostatische Induktion , in Europa und Lateinamerika auch als "elektrostatischer Einfluss" oder einfach "Einfluss" bekannt, ist eine Umverteilung der elektrischen Ladung in einem Objekt, die durch den Einfluss benachbarter Ladungen verursacht wird. In Gegenwart eines geladenen Körpers entwickelt ein isolierter Leiter an einem Ende eine positive Ladung und am anderen Ende eine negative Ladung. Die Induktion wurde 1753 vom britischen Wissenschaftler John Canton und 1762 vom schwedischen Professor Johan Carl Wilcke entdeckt . Elektrostatische Generatoren wie die Wimshurst-Maschine , der Van-de-Graaff-Generator und der Elektrophor verwenden dieses Prinzip. Aufgrund der Induktion ist das elektrostatische Potenzial ( Spannung ) an jedem Punkt eines Leiters konstant. Elektrostatische Induktion ist auch dafür verantwortlich, dass leichte nichtleitende Gegenstände, wie Ballons, Papier- oder Styroporabfälle, durch statische elektrische Ladungen angezogen werden. In dynamischen Situationen gelten elektrostatische Induktionsgesetze, sofern die quasistatische Näherung gültig ist. Elektrostatische Induktion sollte nicht mit elektromagnetischer Induktion verwechselt werden .

Erläuterung

Demonstration der Induktion, in den 1870er Jahren. Der positive Pol einer elektrostatischen Maschine (rechts) wird in der Nähe eines ungeladenen Messingzylinders (links) platziert , wodurch das linke Ende eine positive Ladung und das rechte eine negative Ladung erhält. Die von unten hängenden kleinen Markkugelelektroskope zeigen, dass die Ladung an den Enden konzentriert ist.

Ein normales ungeladenes Stück Materie hat in jedem Teil davon die gleiche Anzahl positiver und negativer elektrischer Ladungen , die sich nahe beieinander befinden, sodass kein Teil davon eine elektrische Nettoladung hat. Die positiven Ladungen sind die Kerne der Atome , die in die Struktur der Materie eingebunden sind und sich nicht frei bewegen können. Die negativen Ladungen sind die Elektronen der Atome . In elektrisch leitfähigen Objekten wie Metallen können sich einige der Elektronen frei im Objekt bewegen.

Wenn ein geladenes Objekt in die Nähe eines ungeladenen, elektrisch leitenden Objekts, wie beispielsweise eines Metallstücks, gebracht wird, bewirkt die Kraft der nahen Ladung aufgrund des Coulomb-Gesetzes eine Trennung dieser inneren Ladungen. Wenn beispielsweise eine positive Ladung in die Nähe des Objekts gebracht wird (siehe Bild einer zylindrischen Elektrode in der Nähe der elektrostatischen Maschine), werden die Elektronen im Metall von diesem angezogen und bewegen sich auf die ihm zugewandte Seite des Objekts. Wenn sich die Elektronen aus einem Bereich herausbewegen, hinterlassen sie aufgrund der Kerne eine unausgeglichene positive Ladung. Dies führt zu einem Bereich negativer Ladung auf dem Objekt, der der äußeren Ladung am nächsten ist, und zu einem Bereich positiver Ladung auf dem davon entfernten Teil. Diese werden induzierte Ladungen genannt . Wenn die externe Ladung negativ ist, wird die Polarität der geladenen Bereiche umgekehrt.

Da dieser Vorgang nur eine Umverteilung der bereits im Objekt vorhandenen Ladungen ist, ändert er die Gesamtladung des Objekts nicht; es hat immer noch keine Nettogebühr. Dieser Induktionseffekt ist reversibel; Wenn die nahegelegene Ladung entfernt wird, führt die Anziehung zwischen den positiven und negativen inneren Ladungen dazu, dass sie sich wieder vermischen.

Aufladen eines Objekts durch Induktion

Blattgold-Elektroskop, zeigt Induktion, bevor das Terminal geerdet wird.
Mit einem Elektroskop die elektrostatische Induktion zeigen. Das Gerät hat Blätter/Nadeln, die aufgeladen werden, wenn ein geladener Stab eingeführt wird. Die Blätter verbiegen das Blatt/die Nadel, und je stärker die eingebrachte Statik, desto mehr Biegung erfolgt.

Der Induktionseffekt kann aber auch genutzt werden, um einen Gegenstand netto aufzuladen. Wenn das obige Objekt, während es sich in der Nähe der positiven Ladung befindet, vorübergehend über einen leitenden Pfad mit der elektrischen Masse verbunden ist , die ein großes Reservoir sowohl positiver als auch negativer Ladungen ist, fließen einige der negativen Ladungen in der Erde in das Objekt , unter der Anziehungskraft der nahegelegenen positiven Ladung. Wenn der Bodenkontakt unterbrochen wird, bleibt das Objekt mit einer negativen Nettoladung zurück.

Diese Methode kann mit einem Blattgold-Elektroskop demonstriert werden , das ein Instrument zum Nachweis elektrischer Ladung ist. Das Elektroskop wird zuerst entladen und dann ein geladenes Objekt in die Nähe des oberen Anschlusses des Instruments gebracht. Induktion bewirkt eine Trennung der Ladungen im Metallstab des Elektroskops , so dass das obere Ende eine Nettoladung entgegengesetzter Polarität zu der des Objekts erhält, während die Goldblätter eine Ladung derselben Polarität erhalten. Da beide Blätter die gleiche Ladung haben, stoßen sie sich gegenseitig ab und breiten sich auseinander. Das Elektroskop hat keine Nettoladung erhalten: Die Ladung in ihm wurde lediglich umverteilt, so dass, wenn das geladene Objekt vom Elektroskop wegbewegt wird, die Blätter wieder zusammenkommen.

Wird nun aber kurzzeitig ein elektrischer Kontakt zwischen dem Elektroskop-Terminal und Masse hergestellt , beispielsweise durch Berühren des Terminals mit einem Finger, so kommt es zu einem Ladungsfluss von Masse zum Terminal, angezogen von der Ladung auf dem terminalnahen Objekt. Diese Ladung neutralisiert die Ladung in den Goldblättern, sodass die Blätter wieder zusammenkommen. Das Elektroskop enthält nun eine Nettoladung, die der Polarität des geladenen Objekts entgegengesetzt ist. Wenn der elektrische Kontakt zur Erde unterbrochen wird, zB durch Anheben des Fingers, kann die soeben in das Elektroskop geflossene Ladung nicht entweichen und das Gerät behält eine Nettoladung. Die Ladung wird durch die Anziehung der induzierten Ladung in der Oberseite des Elektroskop-Terminals gehalten. Aber wenn die induzierende Ladung wegbewegt wird, wird die Ladung freigesetzt und breitet sich über das Elektroskopterminal bis zu den Blättern aus, sodass sich die Goldblätter wieder auseinander bewegen.

Das Vorzeichen der auf dem Elektroskop nach der Erdung verbleibenden Ladung ist immer entgegengesetzt zum Vorzeichen der externen Induktionsladung. Die beiden Induktionsregeln lauten:

  • Wenn das Objekt nicht geerdet ist, induziert die Ladung in der Nähe gleiche und entgegengesetzte Ladungen im Objekt.
  • Wenn irgendein Teil des Objekts ein Moment , während die induzierende Ladung nahe ist geerdet ist, wird eine Ladung entgegengesetzte Polarität zu der induzierenden Ladung vom Boden aus in das Objekt angezogen werden, und es wird mit einer Ladung gelassen wird gegenüberliegende zum Induzieren Ladung.

Das elektrostatische Feld in einem leitfähigen Objekt ist null

Oberflächenladungen in Metallgegenständen durch eine nahegelegene Ladung. Das elektrostatische Feld (Linien mit Pfeilen) einer nahegelegenen positiven Ladung (+) bewirkt, dass sich die beweglichen Ladungen in Metallgegenständen trennen. Negative Ladungen (blau) werden angezogen und wandern auf die der äußeren Ladung zugewandte Oberfläche des Objekts. Positive Ladungen (rot) werden abgestoßen und wandern an die abgewandte Oberfläche. Diese induzierten Oberflächenladungen erzeugen ein entgegengesetztes elektrisches Feld, das das Feld der externen Ladung im gesamten Inneren des Metalls genau aufhebt. Daher sorgt die elektrostatische Induktion dafür, dass das elektrische Feld überall in einem leitfähigen Objekt null ist.

Eine verbleibende Frage ist, wie groß die induzierten Ladungen sind. Die Bewegung von Ladungen wird durch die Kraft verursacht, die durch das elektrische Feld des externen geladenen Objekts auf sie ausgeübt wird , nach dem Coulomb-Gesetz . Während sich die Ladungen im Metallobjekt weiter trennen, erzeugen die resultierenden positiven und negativen Bereiche ihr eigenes elektrisches Feld, das dem Feld der externen Ladung entgegenwirkt. Dieser Prozess setzt sich fort, bis sehr schnell (innerhalb von Sekundenbruchteilen) ein Gleichgewicht erreicht ist, in dem die induzierten Ladungen genau die richtige Größe haben, um das äußere elektrische Feld im gesamten Inneren des Metallobjekts aufzuheben. Dann spüren die verbleibenden beweglichen Ladungen (Elektronen) im Inneren des Metalls keine Kraft mehr und die Nettobewegung der Ladungen stoppt.

Die induzierte Ladung befindet sich auf der Oberfläche

Da sich die beweglichen Ladungen (Elektronen) im Inneren eines Metallgegenstandes in jede Richtung frei bewegen können, kann es im Metall nie zu einer statischen Ladungskonzentration kommen; wenn ja, würde es sich aufgrund seiner gegenseitigen Abstoßung zerstreuen. Bei der Induktion bewegen sich also die beweglichen Ladungen unter dem Einfluss der äußeren Ladung so durch das Metall, dass sie lokal elektrostatisch neutral bleiben; in jedem inneren Bereich gleicht die negative Ladung der Elektronen die positive Ladung der Kerne aus. Die Elektronen bewegen sich, bis sie die Oberfläche des Metalls erreichen und sammeln sich dort, wo sie durch die Grenze an ihrer Bewegung gehindert werden. Die Oberfläche ist der einzige Ort, an dem eine elektrische Nettoladung existieren kann.

Dies begründet das Prinzip, dass elektrostatische Ladungen von leitfähigen Objekten auf der Oberfläche des Objekts liegen. Äußere elektrische Felder induzieren Oberflächenladungen auf Metallgegenständen, die das Feld darin genau aufheben.

Die Spannung in einem leitfähigen Objekt ist konstant

Das elektrostatische Potenzial oder die Spannung zwischen zwei Punkten ist definiert als die Energie (Arbeit), die erforderlich ist, um eine kleine Ladung durch ein elektrisches Feld zwischen den beiden Punkten zu bewegen, geteilt durch die Größe der Ladung. Wenn ein elektrisches Feld von Punkt zu Punkt gerichtet ist, übt es eine Kraft auf eine Ladung aus , die sich von bis bewegt . An der Ladung muss durch eine Kraft Arbeit verrichtet werden, damit sie sich gegen die Gegenkraft des elektrischen Feldes bewegt. Dadurch erhöht sich die elektrostatische potentielle Energie der Ladung. Das Potenzial an Punkt ist also höher als an Punkt . Das elektrische Feld an jedem Punkt ist der Gradient (die Änderungsrate) des elektrostatischen Potentials  :

Da in einem leitfähigen Objekt kein elektrisches Feld vorhanden sein kann, um eine Kraft auf Ladungen auszuüben , ist der Gradient des Potentials in einem leitfähigen Objekt Null

Anders ausgedrückt: In der Elektrostatik sorgt die elektrostatische Induktion dafür, dass das Potential (die Spannung) in einem leitfähigen Objekt konstant ist.

Induktion in dielektrischen Objekten

Papierschnipsel, die von einer geladenen CD angezogen werden

Eine ähnliche Induktionswirkung tritt in nicht - leitenden ( Dielektrikum ) Objekte, und ist verantwortlich für die Anziehung von kleinen Licht nicht leitende Gegenstände, wie Ballons, Papierfetzen oder Styropor , um statische elektrische Ladungen (siehe cat, oben) sowie statische Aufladung in Kleider.

In Nichtleitern sind die Elektronen an Atome oder Moleküle gebunden und können sich nicht wie in Leitern frei um das Objekt bewegen; sie können sich jedoch innerhalb der Moleküle ein wenig bewegen. Wenn eine positive Ladung in die Nähe eines nichtleitenden Objekts gebracht wird, werden die Elektronen in jedem Molekül von diesem angezogen und bewegen sich auf die der Ladung zugewandte Seite des Moleküls, während die positiven Kerne abgestoßen werden und sich leicht auf die gegenüberliegende Seite des Moleküls bewegen. Da die negativen Ladungen nun näher an der äußeren Ladung liegen als die positiven Ladungen, ist ihre Anziehung größer als die Abstoßung der positiven Ladungen, was zu einer geringen Nettoanziehung des Moleküls zur Ladung führt. Dieser Effekt ist mikroskopisch klein, aber da es so viele Moleküle gibt, ergibt er genug Kraft, um ein leichtes Objekt wie Styropor zu bewegen.

Diese Änderung der Ladungsverteilung in einem Molekül aufgrund eines äußeren elektrischen Feldes wird als induzierte Polarisation bezeichnet , und die polarisierten Moleküle werden als Dipole bezeichnet . Dies sollte nicht mit einem polaren Molekül verwechselt werden , das aufgrund seiner Struktur auch ohne äußere Ladung ein positives und ein negatives Ende hat. Dies ist das Funktionsprinzip eines Pith-Ball-Elektroskops .

Anmerkungen

Externe Links