1.7 Aine sähkökentässä

1. Johde sähkökentässä

Johde on aine, jossa on vapaasti liikkuvia varauksia. Metallissa nämä varaukset ovat elektroneja, jotka suhteellisen vapaina toimivat varauksenkuljettajina

Seuraavassa kuvaamme metallipalaa ja sen vapaita elektroneja, jotka ovat aluksi jakautuneet tasaisesti kappaleeseen.
Kytke sähkökenttä päälle ja havaitse seuraukset.

Kun ulkoinen sähkökenttä E kytketään päälle, kohdistuu elektroneihin voima
F = QE, missä Q = elektronin varaus. Tämä voima liikuttaa elektroneja vasemmalle kenttäviivoja vastaan kohti kappaleen pintaa. Näin syntyvä elektronien vajaus aiheuttaa positiivisen varauksen kappaleen toiseen päähän.

Kappaleeseen näin syntyvä varausjakauma aiheuttaa kappaleeseen sisäisen sähkökentän, jonka voimakkuus kasvaa, kunnes sisäinen kenttä kumoaa ulkoisen kentän vaikutuksen. Lopulta johdekappaleen sisällä ei ole sähkökenttää.

Tämä ulkoisen sähkökentän aiheuttama varausjakautuman syntyminen on nimeltään sähköinen influenssi. Siihen perustuu myös elektroskoopin kyky tunnistaa lähelle tuotu varaus. ( Vedä negatiivista varausta lähemmäs elektroskooppia.)

 

 

2. Eriste sähkökentässä

Eristeessä ei ole vapaita varauksia tai niitä on hyvin vähän. Eriste voi koostua pysyvistä dipolimolekyyleistä, joilla on siis positiivinen ja negatiivinen napa. Ellei eristeessä ole pysyviä dipolimolekyylejä, sähkökenttä aiheuttaa molekyylin sisällä varausjakautumisen, jolloin positiivisten ja negatiivisten varausten keskipisteet erkanevat toisistaan. Tämä ilmiö on polarisoituminen ja syntyy siis pysymättömiä dipolimolekyylejä. Kuvaamme alla polarisoitumista.

Sininen alue, joka kuvaa elektronin keskimääräistä sijaintialuetta atomissa, siirtyy sähkökentän vuoksi vasemmalle ja muuntuu ellipsin muotoiseksi. Negatiivisen alueen keskipiste on vasemmalla verrattuna positiivisen atominytimen keskipisteeseen.

Sähkökenttä pienenee eristeen sisällä koska dipolien aiheuttama sisäinen sähkökenttä kumoaa osittain ulkoisen kenttän vaikutuksen. Koska kumoaminen on osittaista, osa kenttäviivoista jää lävistämään kappaletta. Ulkoisen ja eristeen sisään jäävän sähkökentän suhde

on eristeen suhteellinen permittiivisyys. Mitä voimakkaampi dipoliluonne eristeellä on sähkökentässä, sitä suurempi on suhteellinen permittiivisyys.

Influenssi selittää varauksen kyvyn vetää jossain määrin puoleensa myös sähköisesti neutraaleja kappaleita. Esimerkiksi kohdassa 1.1 ollut vanha havainto höyhenien liikkeestä kohti varattua kappaletta selittyy höyhenessä tapahtuvalla influenssilla. Voimakkaampi varausjakauma tapahtuu johteessa. Vedä oikean puoleista varattua lasisauvaa kohti metallisauvaa.

Metallisauvassa tapahtuu influenssi. Metallisauvan negatiiviset varaukset ovat lähempänä lasisauvaa ja aiheuttavat siten voimakkaamman vetovoiman kuin kauempana olevat positiiviset varaukset puolestaan hylkimisvoiman. Siten metallisauvaan kohdistuu vetovoima kohti lasisauvaa.