Wikipedia

Elektrostatisk induksjon

Elektrostatisk induksjon, også kjent som elektrostatisk influens eller bare influens, er en omfordeling av elektrisk ladning i et objekt, forårsaket av påvirkning av nærliggende ladninger. I nærvær av et ladet legeme utvikler en isolert leder en positiv ladning på den ene siden og negativ ladning på den andre enden.

Et gullblad-elektroskop viser at det oppstår elektrostatisk induksjon ved påvirkning fra et elektrisk ladet objekt. Elektroskopet detekterer ladning når de løvtynne metallfoliene frastøtes og peker ut, noe som skjer her selv om den positivt ladede stangen ikke berører terminalen på instrumentet.

Prinsippet benyttes i elektrostatiske generatorer som Wimshursts maskin, Van de Graaff-generatoren og elektroforen. Elektrostatisk induksjon er årsaken for at lette objekter som ikke er elektrisk ledende tiltrekkes av legemer som er ladet med sattisk elektrisitet. Eksempler på slike objekter er ballonger, papirbiter eller styrofoam. Elektrostatisk induksjon må ikke forveksles med elektromagnetisk induksjon.

Elektrostatisk induksjon benyttes i mange industrielle sammenhenger, blant annet lakkering av biler.

Fenomenets natur rediger

Påvirkning mellom forskjellige legemer rediger

 
Laboratorieutstyr fra 1870-årene for demonstrasjon av elektrostatisk induksjon. Den positive polen på en elektrostatisk generator, til høyre, er plassert i nærheten av en messingstav, til venstre. Den venstre enden av messingstaven får positiv ladning og den høyre negativ ladning. De små elektroskopene som henger fra bunnen av røret viser at ladningene er konsentrert i dets ender, der de små kulene henger lengst fra hverandre.

Elektrostatisk induksjon ble oppdaget av den britiske forskeren John Canton i 1753 og den svenske professoren Johan Carl Wilcke i 1762.[1]

Et normal nøytralt objekt har like mange positive og negative elektriske ladninger i seg. En tenker seg at disse ligger i nærheten av hverandre, slik at ingen del av objektet har en netto elektrisk ladning. De positive ladningene er atomenes kjernene som er bundet i strukturen i stoffet og som ikke er fri til å bevege seg. De negative ladninger er atomenes elektroner. I elektrisk ledende gjenstander slik som metaller, er noen av elektronene er i stand til å bevege seg fritt i stoffet.

Når en ladet gjenstand er brakt nær et uladet elektrisk ledende objekt, som et metallstykke, kan styrken av de nærliggende ladningene på grunn av elektromagnetisk kraft være stor nok til å gi en separasjon av objektets interne ladninger. En positiv ladning som bringes nært et metallobjekt vil få elektronene i metallet til å bli tiltrukket av den. Dermed beveger elektronene seg til den side av objektet som vender mot den positivt ladede gjenstanden. Når elektronene flytter ut av én region av objektet vil de etterlate seg en ubalansert positiv ladning på grunn av atomkjernenes egen ladning. Dette resulterer i et område med negativ ladning i objektet nærmest den ytre ladning, og et område med positiv ladning i den delen som vender bort. Disse kalles induserte ladninger. Om derimot den eksterne ladningen er negativ, vil polariteten av de ladede regionene i objektet bli omvendt.[2][3]

Siden denne prosessen kun er en omfordeling av ladninger som allerede var i objektet fra før, betyr det ikke noen endring av den totale ladningen i det: objektet har fortsatt ingen netto ladning. Denne induksjonseffekten er reversibel, det betyr at om den nærliggende eksterne ladningen fjernes vil tiltrekningen mellom de positive og negative interne ladningene i objektet sørge for at de redistribueres tilbake til et nøytralt mønster.

Lading av et objekt ved elektrostatisk induksjon rediger

Demonstrasjon av elektrostatisk induksjon. Første gang berører mannen terminalen (kulen) av elektroskopet med en negativt ladet ebonittstang og ladning overføres. Delene inne i elektroskopet er elektrisk isolert slik at ladningene forblir i instrumentet. Så tar mannen frem en glasstav med positiv ladning som han gjentar de tre forsøkene med.

Elektrostatisk induksjon kan bli demonstrert ved anvendelse av et bladgull-elektroskop eller et kolbe-elektroskop, som begge er instrumenter for detektering av elektrisk ladning. Videoen på siden viser demonstrasjonen. Først blir elektroskopet berørt av en stang som er laddet opp ved gnidning, ladninger overføres og elektroskopet er permanent ladet. Elektroskopet blir nøytralisert ved at personen berører terminalen (personen virker som elektrisk jord), noe som fører til kontakt med ladningsutjevning via jord. I den andre sekvensen fører personen en ladet gjenstand nær siden av instrumentets terminal, nå blir elektrostatisk induksjon demonstrert. Induksjonen fører til separasjon av ladningene i terminalen på toppen av elektroskopet nærmest gjenstanden, som får en netto ladning av motsatt polaritet til stangen. Dette påvirker også elektroskopets metallfolier som får en ladning med samme polaritet som stangen. Siden begge bladene i elektroskopet får samme ladning vil de frastøte hverandre og beveges fra hverandre. På kolbe-elektroskopet fører dette til et utslag på viseren. Elektroskopet har ikke fått en netto ladning, det er kun ladningene inne i det som er blitt omfordelt. Når så den ladede stangen flyttes bort fra elektroskopet blir viserutslaget null.[4]

I den tredje sekvensen vises elektrostatisk induksjon der det gis permanent oppladning av elektroskopet. Stangen holdes på nytt i nærheten av elektroskopets terminal, samtidig som elektrisk kontakt kortvarig blir opprettet mellom den motsatte delen av terminalen og jordpotensial. Ved å berøre terminalen med en finger, fører dette til at ladning flyter fra personens kropp til terminalen. Ladningene i personen blir da tiltrukket av ladningene til terminalen, mens ladningene i terminalen nærmest den ladde stangen fremdeles er tiltrukket av den. Når så først fingeren flyttes og stangen fjernes litt senere, vil elektroskopet inneholde en netto ladning med motsatt polaritet av ladningen til gjenstanden som opprinnelig induserte en ladning. Den ekstra ladningen som strømmet inn/ut av elektroskopet kan ikke unnslippe. Dermed har instrumentet fått en permanent netto ladning. I sekvens fire til seks gjentar personen forsøket, men nå med en glasstang med motsatt polaritet. Dermed blir det demonstrert at elektrostatisk induksjon virker for både med positiv og negativ ladning.[4]

Fortegnet av ladningene som er igjen i elektroskopet etter at terminalen ble tilknyttet jordpotensial har alltid motsatt fortegn av den eksterne induserende ladningen.[5] De to reglene for elektrostatisk induksjon er:[5][6]

  • Hvis objektet ikke er jordet, vil den ytre ladningen indusere like og motsatte ladninger i objektet.
  • Dersom noen del av objektet et øyeblikk tilknyttes jordpotensial mens den induserende ladningen er i nærheten, vil en ladning med motsatt polaritet til den induserende ladning bli tiltrukket fra jordpotensial og inn i objektet, og det vil sitte igjen med en ladning med motsatt indusert ladning.

Det elektrostatiske feltet inne i en ledende gjenstand rediger

 
Overflateladninger indusert i metallgjenstander på grunn av en nærliggende punktladning. Det elektrostatiske feltet illustrert med linjer med piler ut fra den positive ladningen (+) fører til at at de mobile ladningene i metallgjenstandene blir separert. De negative ladningene (blått) blir tiltrukket og flytter seg til den delen av overflaten av legemene som er retet mot punktledningen. Positive ladninger (rødt) blir frastøtt og flytter til overflaten som vender bort fra punktladningen. Disse induserte overflateladningene skaper et motsatt elektrisk felt som nøyaktig opphever feltet fra den ytre ladning gjennom det indre av metallet. Derfor sørger elektrostatisk induksjon for at det elektriske feltet overalt inne i en ledende gjenstand er null.
Foto: Chris Burks

Et viktig spørsmål er størrelsen av de induserte ladningene. Bevegelsen av ladninger som er forårsaket av kraften som utøves av det elektriske feltet fra den ytre ladede gjenstanden, kan bestemmes ved Coulombs lov. Ettersom ladningene i en metallgjenstand fortsetter å separere seg vil de resulterende positive og negative regionene skape sitt eget elektriske felt. Dette vil motvirke feltet fra den ytre ladningen.[7] Prosessen fortsetter nokså raskt (i løpet av en noen brøkdeler av et sekund) inntil en likevektstilstand oppnås, hvor de induserte ladningen får nøyaktig den samme størrelse som skal til for å avbryte det ytre elektrisk felt gjennom det indre av metallobjektet.[7][8] De resterende mobile ladninger, altså elektronene i det indre av metallet, vil ikke lenger utsettes for en kraft og netto bevegelse av ladninger stopper dermed helt.[7]

Induserte ladninger befinner seg på overflaten rediger

Siden mobile ladninger i det indre av et metallobjekt står fritt til å bevege seg i alle retninger, kan det aldri bli en statisk konsentrasjon av ladning inne i et metall. Hvis det var tilfelle ville det tiltrekke ladninger med motsatt polaritet som ville nøytralisere den.[7] Derfor vil det ved elektrostatisk induksjon være slik at de mobile ladninger setter seg i bevegelse under påvirkning av den ytre ladning inntil de når overflaten av metallet og samler seg der, hvor metalloverflaten i seg selv virker som yttergrense mot videre bevegelse.[7]

Dette etablerer det viktige prinsippet om at elektrostatiske ladninger på ledende gjenstander ligger på overflaten av objektet.[7][8] Eksterne elektriske felt indusere overflateladninger på metallgjenstander som akkurat avbryte felt innenfor.[7]

Spenningen gjennom et ledende objekt er konstant rediger

Det elektrostatiske potensial eller spenningen mellom to punkter er definert som energien, eller arbeidet, som kreves for å bevege en liten ladning gjennom et elektrisk felt mellom de to punktene, dividert med størrelsen av ladningen. Hvis det er et elektrisk felt rettet fra punkt   til punkt   så vil det utøve en kraft på en ladning ved å flytte det fra   til  . Et arbeidet må gjøres av en ekstern kraft på ladningen om den flyttes til   mot den motivrkende kraft skapt av det elektriske feltet. Således vil den elektrostatiske potensielle energi til ladningen øke. Dermed er potensialet i punktet   høyere enn ved punktet  . Det elektriske feltet   ved et hvert punkt er gradienten (grad av endring) til det elektrostatiske potensialet  :

 

Siden det ikke kan være noe elektrisk felt inne i et ledende objekt til å utøve noen kraft på ladningene, er en annen måte å si dette på, at potensialet (spenningen) gjennom et ledende objekt er konstant.[7] Studien av elektriske felt i sammenhenger som dette kalles for elektrostatikk.

Induksjon i elektriske isolerende gjenstander rediger

 
Papirbiter tiltrukket av en elektrisk ladet CD.

Elektrostatisk induksjon oppstår også i ikke-ledende, dielektrisk materiale. Det gir forklaringen på tiltrekningskrefter som virker på lette gjenstander, som ballonger, papirbiter eller styrofoam som blir eksponert for elektrostatisk ladede objekter.[2][9][10][11][12] I ikke-ledende stoffer vil elektroner være bundet til atomer eller molekyler, de er derfor ikke frie til å flytte rundt i objektet som i en lederne, men de kan bevege seg i de molekylene de er bundet opp i.[13]

Hvis en positiv ladet objekt bringes i nærheten av et ikke-ledende gjennstand blir elektronene i hvert molekyl tiltrukket mot den, og beveger seg til den side av molekylet som vender mot gjennstanden. De positive atomkjernene blir frastøtt og bevege seg noe til den motsatte side av molekylet. Siden de negative ladninger i stoffet nå er kommet nærmere den ekstern ladningen, enn de positive ladninger, er deres attraksjon større enn frastøtingen fra de positive ladningene. Dette resulterer i en liten netto tiltrekning av molekylet mot ladningen. Dette fenomenet kalles elektrisk polarisasjon hvor de polariserte molekylene er elektriske dipoler. Denne effekten er mikroskopisk, men siden det er så mange molekyler oppstår det en kraft som er stor nok til å kunne flytte lette gjenstander som papirbiter.[14]

Praktiske anvendelser rediger

Elektrostatisk induksjon og tiltrekking har mange praktiske anvendelser. Et bruksområde er spraymaling av biler der dette blir utnyttet industrielt. De mikroskopiske lakkdråpene som forlater dysen på sprayeren gis en elektrisk ladning, mens bildelen eller en annen metalldelen som skal males, tilknyttes jordpotensial med en leder med skruklemme. Når dråpene strømmer mot metalldelen oppstår indusert lading med motsatt ladning, noe som igjen fører til at lakken tiltrekkes metalldelen. Denne fremgangsmåten forhindrer at så mye lakk forsvinner ut i luften, dessuten fås en spesielt fin overflate.[15]

Van de Graaff-generatoren er en maskin som brukes for å skape svært høye spenninger, opptil 15 millioner volt, for bruk for demonstrasjoner og forsøkt. Kompimaskiner gjør bruk av elektrostatiske prosesser, enten det er snakk om xerografi, laserskrivere eller inkjet-printere. Et annet viktig bruksområde er elektrostatisk luftrensning, som brukes for både i alt fra små enheter for hjemmebruk og store enheter for industriformål. Disse fungerer ved at røyk, støv, pollen og andre partikler paserer et nett der de gis elektrisk ladning og det etterfølgende nett tiltrekker og fanger dem opp.[16]

Referanser rediger

  1. ^ «Electricity». Encyclopaedia Britannica, 11th Ed. 9. The Encyclopaedia Britannica Co. 1910. s. 181. 
  2. ^ a b Stensholdt, Sigurd: Fysikk PSSE side 15.
  3. ^ «Electrostatic induction». Encyclopaedia Britannica Online. Encyclopaedia Britannica, Inc. 2008. Besøkt 25. juni 2008. 
  4. ^ a b Young og Freedman: University Physics side 714-715.
  5. ^ a b Cope, Thomas A. Darlington. Physics. Library of Alexandria. ISBN 1465543724. 
  6. ^ Hadley, Harry Edwin (1899). Magnetism & Electricity for Beginners. Macmillan & Company. s. 182. 
  7. ^ a b c d e f g h Purcell, Edward M. : Electricity and Magnetism side 127-128.
  8. ^ a b Saslow, Wayne M. (2002). Electricity, magnetism, and light. US: Academic Press. s. 159–161. ISBN 0-12-619455-6. 
  9. ^ Sherwood, Bruce A. (2011). Matter and Interactions, 3rd Ed. USA: John Wiley and Sons. s. 594–596. ISBN 0-470-50347-5. 
  10. ^ Paul E. Tippens, Electric Charge and Electric Force, Powerpoint presentation, p.27-28, 2009, S. Polytechnic State Univ. Arkivert 19. april 2012 hos Wayback Machine. on DocStoc.com website
  11. ^ Henderson, Tom (2011). «Charge and Charge Interactions». Static Electricity, Lesson 1. The Physics Classroom. Besøkt 1. januar 2012. 
  12. ^ Winn, Will (2010). Introduction to Understandable Physics Vol. 3: Electricity, Magnetism and Ligh. USA: Author House. s. 20.4. ISBN 1-4520-1590-2. 
  13. ^ Young og Freedman: University Physics side 715.
  14. ^ Kaplan MCAT Physics 2010-2011. USA: Kaplan Publishing. 2009. s. 329. ISBN 1-4277-9875-3. Arkivert fra originalen 31. januar 2014. 
  15. ^ Young og Freedman: University Physics side 716.
  16. ^ «Applications of Electrostatics». University of Saskatchewan. 22. august 2016. Besøkt 12. november 2023. 

Litteratur rediger

Eksterne lenker rediger

Hentet fra «https://no.wikipedia.org/w/index.php?title=Elektrostatisk_induksjon&oldid=23971967»