정전 유도

유럽과 중남미에서는 "정전기 영향" 또는 단순히 "영향"이라고도 하는 정전기는 물체 내 전하의 재분배이며, 주변 ^[1]전하의 영향으로 인해 발생합니다.하전체의 존재 하에서 절연 도체는 한쪽 끝에는 정전하를, 다른 한쪽 ^[1]끝에는 부전하를 발생시킨다.인덕션은 1753년 영국 과학자 존 캔튼과 1762년 ^[2]스웨덴 교수 요한 칼 윌케에 의해 발견되었다.Wimshurst 머신, Van de Graff 제너레이터 및 전기 인두와 같은 정전 발생기는 이 원리를 사용합니다.이 컨텍스트의 Stephen Gray도 참조해 주세요.유도로 인해 정전위(전압)는 ^[3]도체의 모든 지점에서 일정합니다.정전 유도는 풍선, 종이 또는 스티로폼 스크랩과 같은 가벼운 비전도성 물체를 정전하에 끌어당기는 원인이 되기도 합니다.정전 유도 법칙은 준정적 근사치가 유효한 한 동적 상황에서 적용된다.

설명.

1870년대 인덕션의 시연입니다.정전기의 양극 단자(오른쪽)는 충전되지 않은 황동 실린더(왼쪽) 근처에 배치되어 왼쪽 끝은 양전하를 얻고 오른쪽 끝은 음전하를 얻습니다.바닥에 매달린 작은 피스볼 전기 스코프는 전하가 끝에 집중되어 있음을 나타냅니다.

스티로폼 땅콩이 고양이 털에 달라붙는다.모피에 축적된 정전기는 정전 유도에 의해 스티로폼 분자의 분극을 일으켜 스티로폼이 충전된 모피에 약간 끌어당기는 현상을 일으킨다.

일반적으로 충전되지 않은 물질의 각 부분에는 양전하와 음전하의 수가 같으며, 서로 가까이 위치하기 때문에 순전하가 있는 부분은 없습니다.양전하는 물질의 구조에 묶여 자유롭게 움직일 수 없는 원자의 핵이다.음전하는 원자의 전자이다.금속과 같은 전기 전도성 물체에서는 일부 전자가 물체 내에서 자유롭게 이동할 수 있습니다.

충전된 물체가 금속 조각과 같이 충전되지 않은 전도성 물체 근처에 있으면 쿨롱의 법칙에 의한 근처의 전하의 힘에 의해 이러한 내부 전하가 분리됩니다.예를 들어, 물체 근처에 양전하가 있으면(정전기 기계 근처의 원통형 전극 그림 참조), 금속 내의 전자는 물체 쪽으로 끌어당겨 마주보는 물체의 측면으로 이동합니다.전자가 영역 밖으로 이동할 때, 그들은 핵으로 인해 불균형한 양의 전하를 남긴다.그 결과, 외부 전하에 가장 가까운 물체에 음전하 영역이 생기고, 그 물체로부터 떨어진 부분에는 양전하 영역이 생깁니다.이것들은 유도 전하라고 불립니다.외부 전하가 음의 경우 충전된 영역의 극성이 반전됩니다.

이 프로세스는 객체에 이미 있던 전하의 재배포일 뿐이므로 객체의 총 전하량은 변경되지 않습니다.순 전하량은 변경되지 않습니다.이 유도 효과는 가역적입니다. 근처의 전하가 제거되면 양전하와 음전하 사이의 인력으로 인해 다시 혼합됩니다.

유도에 의한 객체 충전

단자가 접지되기 전에 유도를 나타내는 금박형 전기 스코프.

전기 스코프를 사용하여 정전 유도를 보여줍니다.장치에는 충전된 로드를 도입할 때 충전되는 리프/니들이 있습니다.잎은 리브/니들을 구부리고 정전기 유입이 강할수록 더 많이 구부러집니다.

그러나 유도 효과는 물체에 순전하를 가하는 데도 사용할 수 있다.양전하에 가까운 상태에서 위의 물체가 양전하와 음전하의 대규모 저장 장치인 전기 접지에 전도 경로를 통해 순간적으로 연결되면 접지 내 음전하의 일부가 가까운 양전하의 흡인 하에 물체로 흐릅니다.접지와의 접촉이 끊어지면 물체는 순 음전하를 띠게 됩니다.

이 방법은 전하를 검출하는 장치인 금박형 전기 스코프를 사용하여 시연할 수 있습니다.전기 스코프가 먼저 방전되고 충전된 물체가 기기의 상단 단자 근처로 이동합니다.유도에 의해 전기스코프의 금속봉 내부에서 전하가 분리되므로 상단 단자는 물체와 반대 극성의 순 전하를 얻고 금은 같은 극성의 전하를 얻는다.두 잎은 같은 전하를 띠기 때문에 서로 밀어내고 흩어진다.전기 스코프는 순수 전하를 획득하지 않았습니다. 즉, 그 안의 전하가 단지 재분배되었을 뿐이므로, 대전된 물체를 전기 스코프에서 멀어지게 되면 잎이 다시 합쳐집니다.

단, 예를 들어 손가락으로 단자를 만지는 등 전기스코프 단자와 접지 사이에 잠시 전기접촉이 이루어지면 단자에 가까운 물체의 전하에 이끌려 접지에서 단자로 전하가 흐르게 됩니다.이 전하로 인해 금박 속의 전하가 중화되어 잎이 다시 합쳐집니다.이제 전기 스코프는 충전된 물체의 극성과 반대되는 순 전하를 포함합니다.예를 들어 손가락을 들어 접지 접점이 끊어지면 방금 전기 스코프로 유입된 추가 전하가 빠져나가지 못하고 계측기는 순 전하를 유지합니다.전하는 유도 전하의 인력에 의해 전기 스코프 단자의 상단에 고정됩니다.하지만 유도 전하가 멀어지면 전하가 방출되어 전기 스코프 단자를 통해 잎으로 퍼지기 때문에 금박은 다시 떨어져 나간다.

접지 후 전기 스코프에 남아 있는 전하의 신호는 항상 외부 유도 ^[4]전하와 반대입니다.유도에는 다음 두 가지 규칙이 있습니다.^[4]^[5]

물체가 접지되지 않은 경우, 근처의 전하가 물체에서 등전하와 반대 전하를 유도합니다.
유도전하가 근접한 상태에서 물체의 일부가 순간적으로 접지되면 유도전하와 반대되는 극성을 가진 전하가 지상에서 물체 안으로 흡인되어 유도전하와는 반대되는 전하가 남는다.

전도성 물체 내부의 정전장은 0입니다.

금속 물체에서 가까운 전하에 의해 유도되는 표면 전하.가까운 양의 전하(+)의 정전계(화살표가 있는 선)에 의해 금속 물체 내의 이동 전하가 분리됩니다.음전하(파란색)가 끌어당겨 외부 전하를 마주보는 물체의 표면으로 이동한다.양전하(빨간색)는 격퇴되고 반대쪽을 향해 표면으로 이동한다.이러한 유도 표면 전하가 금속 내부 전체에 걸쳐 외부 전하의 필드를 정확히 상쇄하는 반대 전계를 생성합니다.따라서 정전 유도는 전도성 물체 내부의 모든 전계가 0이 되도록 보장합니다.

남은 의문은 유발된 요금이 얼마나 큰가 하는 것이다.전하의 이동은 쿨롱의 법칙에 따라 외부 전하 물체의 전기장에 의해 가해지는 힘에 의해 발생합니다.금속 물체 내의 전하가 계속 분리되면 결과적으로 발생하는 양전하와 음전하 영역은 외부 ^[3]전하장과 반대되는 자체 전계를 생성합니다.이 과정은 금속 물체 내부에서 외부 ^[3]^[6]전계를 상쇄하기 위해 유도 전하가 정확히 적절한 크기와 모양인 평형에 도달할 때까지 매우 빠르게 계속됩니다.그러면 금속 내부에 남아 있는 이동 전하(전자)는 더 이상 힘을 느끼지 못하고 전하의 순 운동이 ^[3]멈춥니다.

유도 전하가 표면에 존재합니다.

금속 물체 내부의 이동 전하(전자)는 어느 방향으로든 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 금속 내부에 정적 전하 집중이 있을 수 없습니다. 있을 경우 상호 ^[3]반발로 인해 전하 농도가 분산됩니다.따라서 유도에서는 이동 전하가 외부 전하의 영향을 받아 금속을 통과하여 국소 정전 중립을 유지합니다. 내부 영역에서는 전자의 음전하가 핵의 양전하를 균형 있게 유지합니다.전자는 금속의 표면에 도달할 때까지 움직이며, ^[3]그 표면에 모여 경계에 의해 움직이지 못하게 됩니다.표면은 순수 전하가 존재할 수 있는 유일한 위치입니다.

이는 전도성 물체의 정전하가 ^[3]^[6]물체의 표면에 존재한다는 원리를 확립합니다.외부 전기장은 금속 물체에 표면 전하를 유도하여 내부의 ^[3]전기장을 정확히 상쇄시킵니다.

전도성 물체 전체의 전압이 일정합니다.

두 지점 사이의 정전위 또는 전압은 두 지점 사이의 전계를 통해 작은 양의 전하를 이동하는 데 필요한 에너지(작업)를 전하 크기로 나눈 값으로 정의합니다. $\mathbf {b}$ $({$ $displaystyle \mathbf {b})$ 에서 $\mathbf {b}$ $\mathbf {a}$ ({ $displaystyle \mathbf {a})$ 으로 $\mathbf {a}$ 향하는 전계가 있는 경우 $,$ 이 전하가 { $displaystyle \mathbf {a}$ 에서 $\mathbf {a}$ b $}({$ 로 이동하는 데 힘을 가해야 합니다. $\$ 를 $\mathbf {b}$ 전기장의 역력에 대항합니다.따라서 전하의 정전기에너지가 증가합니다.따라서 지점 $\mathbf {b}$ b의 전위는 $\mathbf {a}$ a보다 높습니다 $({$ $displaystyle$ \ $mathbf$ ${$ b $\mathbf {b}$ $\mathbf {a}$ 전계 $\mathbf {E} (\mathbf {x} )$ E $($ x)({ $displaystyle$ \ $mathbf$ {x $\mathbf {E} (\mathbf {x} )$ })는 $\mathbf {E} (\mathbf {x} )$ 의 $지점$ $\mathbf {x}$ (\ $displaystyle \mathbf {x})$ 의 $\mathbf {x}$ 기울기 $V(\mathbf {x} )$ 전위 $V(\mathbf {x} )$ )입니다. $(\displaystyle$ V $(\mathbf {x}):$

{\displaystyle\sla V=\mathbf {E},}

$(\mathbf {E} =0)\,$ (E $(\mathbf {E} =0)\,$ ) { $displaystyle(\mathbf {E}$ = $0$ 을 $(\mathbf {E} =0)\,$ 를) 전도성 물체 내부에는 전위가 존재할 수 없으므로 전위의 기울기는 0입니다^[3].

\sla V=\mathbf {0},

이것을 말하는 또 다른 방법은 정전 유도가 전도성 물체 전체의 전위(전압)를 일정하게 유지하는 것입니다.

유전체 내 유도

충전된 CD에 끌린 종이 조각

비전도성(유전체) 물체에서도 유사한 유도 효과가 발생하며, 풍선, 종이 조각 또는 스티로폼과 같은 작은 빛 비전도성 물체를 정전하^[7]^[8]^[9]^[10](위의 고양이 참조)에 끌어당기는 역할을 합니다.

비전도체에서는 전자가 원자나 분자에 결합되어 있고 전도체처럼 물체 주위를 자유롭게 이동할 수 없지만 분자 내에서 조금 움직일 수 있습니다.양전하가 비전도성 물체 근처에 있으면 각 분자의 전자가 그 쪽으로 끌어당겨 전하를 마주하는 분자의 쪽으로 이동하는 반면, 양전자는 반발하여 분자의 반대쪽으로 약간 이동한다.이제 음전하가 양전하보다 외부 전하와 더 가깝기 때문에, 그 인력은 양전하의 반발력보다 더 크며, 그 결과 분자가 전하로 향하는 작은 순인력이 발생합니다.이 효과는 미세하지만, 분자가 너무 많기 때문에 스티로폼과 같은 가벼운 물체를 움직이기에 충분한 힘을 더한다.

외부 전계에 의한 분자의 전하 분포의 변화를 유도 ^[7]분극이라고 하며, 분극 분자를 쌍극자라고 합니다.이것은 외부 전하가 없어도 구조상 양극과 음극의 끝을 가진 극성 분자와 혼동해서는 안 된다.이것은 피스볼 ^[11]전기 스코프의 작동 원리입니다.

메모들

^ ^a ^b "Electrostatic induction". Britannica.com Online. Britannica.com Inc. 2008. Retrieved 2008-06-25.
^ Fleming, John Ambrose (1911). "Electricity" . In Chisholm, Hugh (ed.). Encyclopædia Britannica. Vol. 9 (11th ed.). Cambridge University Press. pp. 179–193, see page 181, second para, three lines from end. ... the Swede, Johann Karl Wilcke (1732–1796), then resident in Germany, who in 1762 published an account of experiments in which....
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Purcell, Edward M.; David J. Morin (2013). Electricity and Magnetism. Cambridge Univ. Press. pp. 127–128. ISBN 978-1107014022.
^ ^a ^b Cope, Thomas A. Darlington. Physics. Library of Alexandria. ISBN 1465543724.
^ Hadley, Harry Edwin (1899). Magnetism & Electricity for Beginners. Macmillan & Company. p. 182.
^ ^a ^b Saslow, Wayne M. (2002). Electricity, magnetism, and light. US: Academic Press. pp. 159–161. ISBN 0-12-619455-6.
^ ^a ^b Sherwood, Bruce A.; Ruth W. Chabay (2011). Matter and Interactions (3rd ed.). USA: John Wiley and Sons. pp. 594–596. ISBN 978-0-470-50347-8.
^ Paul E. Tippens, 전기 충전 및 전기, Powerpoint 프레젠테이션, 2009년 27-28페이지, S. Polytechnic State University.2012년 4월 19일 DocStoc.com 웹사이트의 Wayback Machine에서 아카이브 완료
^ Henderson, Tom (2011). "Charge and Charge Interactions". Static Electricity, Lesson 1. The Physics Classroom. Retrieved 2012-01-01.
^ Winn, Will (2010). Introduction to Understandable Physics Vol. 3: Electricity, Magnetism and Light. USA: Author House. p. 20.4. ISBN 978-1-4520-1590-3.
^ Kaplan MCAT Physics 2010-2011. USA: famous Publishing. 2009. p. 329. ISBN 978-1-4277-9875-6. Archived from the original on 2014-01-31.

외부 링크

Wikimedia Commons에서의 정전 유도 관련 미디어
"Charging by electrostatic induction". Regents exam prep center. Oswego City School District. 1999. Archived from the original on 2008-08-28. Retrieved 2008-06-25.

[BritannicaOnline-1] "Electrostatic induction". Britannica.com Online. Britannica.com Inc. 2008. Retrieved 2008-06-25.

[Britannica-2] Fleming, John Ambrose (1911). "Electricity" . In Chisholm, Hugh (ed.). Encyclopædia Britannica. Vol. 9 (11th ed.). Cambridge University Press. pp. 179–193, see page 181, second para, three lines from end. ... the Swede, Johann Karl Wilcke (1732–1796), then resident in Germany, who in 1762 published an account of experiments in which....

[Purcell-3] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Purcell, Edward M.; David J. Morin (2013). Electricity and Magnetism. Cambridge Univ. Press. pp. 127–128. ISBN 978-1107014022.

[Cope-4] Cope, Thomas A. Darlington. Physics. Library of Alexandria. ISBN 1465543724.

[Hadley-5] Hadley, Harry Edwin (1899). Magnetism & Electricity for Beginners. Macmillan & Company. p. 182.

[Saslow-6] Saslow, Wayne M. (2002). Electricity, magnetism, and light. US: Academic Press. pp. 159–161. ISBN 0-12-619455-6.

[Sherwood-7] Sherwood, Bruce A.; Ruth W. Chabay (2011). Matter and Interactions (3rd ed.). USA: John Wiley and Sons. pp. 594–596. ISBN 978-0-470-50347-8.

[Tippens-8] Paul E. Tippens, 전기 충전 및 전기, Powerpoint 프레젠테이션, 2009년 27-28페이지, S. Polytechnic State University.2012년 4월 19일 DocStoc.com 웹사이트의 Wayback Machine에서 아카이브 완료

[Henderson-9] Henderson, Tom (2011). "Charge and Charge Interactions". Static Electricity, Lesson 1. The Physics Classroom. Retrieved 2012-01-01.

[Winn-10] Winn, Will (2010). Introduction to Understandable Physics Vol. 3: Electricity, Magnetism and Light. USA: Author House. p. 20.4. ISBN 978-1-4520-1590-3.

[Kaplan-11] Kaplan MCAT Physics 2010-2011. USA: famous Publishing. 2009. p. 329. ISBN 978-1-4277-9875-6. Archived from the original on 2014-01-31.

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