Elektrostatisk induksjon

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.

Elektrostatisk induksjon, også kjent som elektrostatisk influens eller bare influens, er forskyvning av elektriske ladninger i en gjenstand under innflytelse av et elektrisk felt. Dette fører til at et ledende materiale som er isolert fra omgivelsen får en positiv ladning på den ene siden, og negativ ladning på den andre siden.

Prinsippet benyttes i elektrostatiske generatorer som Wimshursts maskin, Van de Graaff-generatoren og elektroforen. Elektrostatisk induksjon er årsaken til at lette objekter, som ikke er elektrisk ledende, tiltrekkes av legemer som er ladet med statisk 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

Elektrostatisk induksjon ble oppdaget av den britiske forskeren John Canton i 1753, og den svenske professoren Johan Carl Wilcke i 1762. Både Canton og Wilcke publiserte vitenskapelige artikler som beskrev fenomenet. Den som holdes for å være først til å beskrive fenomener relatert til elektrostatikk er den greske filosofen Tales fra Milet som ble født rundt 624 år før Kristus. Han brukte observasjoner rundt statisk elektrisitet i forbindelse med sine filosofiske ideer og argumenter rundt sjelens natur.

Påvirkning mellom forskjellige legemer

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.

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 kjerner 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 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.

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

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 elektroskop, som er et instrument for detektering av elektrisk ladning. Videoen på siden demonstrerer hvordan. Først blir elektroskopet berørt av en stang som er ladet opp ved gnidning, ladninger overføres og elektroskopet blir permanent ladet (triboelektrisk effekt), noe som vises med viserutslaget. Elektroskopet blir nøytralisert ved at personen berører terminalen (personen virker som elektrisk jord).

I den andre sekvensen fører mannen en ladet gjenstand nær siden uten å berøre instrumentets terminal: Dette demonstrerer elektrostatisk induksjon. Induksjonen fører til separasjon av ladningene i terminalen på toppen av elektroskopet nærmest gjenstanden, som får en netto ladning av motsatt polaritet til stangen. Elektroskopets tynne metallblader får en ladning med samme polaritet som stangen. Siden begge bladene i elektroskopet får samme ladning vil de frastøte hverandre og beveges fra hverandre. Elektroskopet har ikke fått overført noen 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.

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.

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

• 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

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 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 rettet 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.

Skisse av: 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. Prosessen fortsetter nokså raskt (i løpet av en noen brøkdeler av et sekund) inntil en likevektstilstand oppnås, hvor den induserte ladningen får nøyaktig den samme størrelse som skal til for å avbryte det ytre elektrisk felt gjennom det indre av metallobjektet. 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.

Induserte ladninger befinner seg på overflaten

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. 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.

Dette etablerer det viktige prinsippet om at elektrostatiske ladninger på ledende gjenstander ligger på overflaten av objektet. Eksterne elektriske felt induserer overflateladninger på metallgjenstander som akkurat avbryter felt innenfor.

Spenningen gjennom et ledende objekt er konstant

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 $\mathbf {b}$ til punkt $\mathbf {a}$ så vil det utøve en kraft på en ladning ved å flytte det fra $\mathbf {a}$ til $\mathbf {b}$. Et arbeidet må gjøres av en ekstern kraft på ladningen om den flyttes til $\mathbf {b}$ mot den motivrkende kraft skapt av det elektriske feltet. Således vil den elektrostatiske potensielle energi til ladningen øke. Dermed er potensialet i punktet $\mathbf {b}$ høyere enn ved punktet $\mathbf {a}$. Det elektriske feltet $\mathbf {E}$ ved et hvert punkt er gradienten (grad av endring) til det elektrostatiske potensialet ${V}$:

$\mathbf {E} =-{\boldsymbol {\nabla }}{V}\,$

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. Studien av elektriske felt i sammenhenger som dette kalles for elektrostatikk.

Induksjon i elektriske isolerende gjenstander

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. 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 elektrisk leder, men de kan bevege seg i de molekylene de er bundet opp i.

Hvis et positiv ladet objekt bringes i nærheten av et ikke-ledende gjenstand, blir elektronene i hvert molekyl tiltrukket mot den, og beveger seg til den side av molekylet som vender mot gjenstanden. De positive atomkjernene blir frastøtt. og beveger seg noe til den motsatte side av molekylet. Siden de negative ladninger i stoffet nå er kommet nærmere den eksterne 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.

Praktiske anvendelser

Elektrostatisk induksjon og tiltrekking har mange praktiske anvendelser. Ett 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 metalldel 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 reduserer mengden lakk som forsvinner ut i luften, dessuten fås en spesielt fin overflate.

Van de Graaff-generatoren er en maskin som brukes for å skape svært høye spenninger, opptil 15 millioner volt, for bruk ved demonstrasjoner og forsøk. Kopimaskiner gjør bruk av elektrostatiske prosesser blant annet ved xerografi, laserskrivere eller inkjet-printere. Et annet viktig bruksområde er elektrostatisk luftrensning som brukes i små enheter for hjemmebruk og store enheter for industriformål. Luftrenserne 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.

Litteratur

• Stensholdt, Sigurd, red. (1974). Fysikk PSSE : del 3: elektrisitet (på norsk). Universitetsforlaget; Yrkesopplæringsrådet for håndverk og industri. ISBN 82-00-25342-2. 
• Purcell, Edward M. (2013). Electricity and Magnetism. Cambridge Univ. Press. ISBN 1107014026. 
• Young, Hugo D. og Freedman, Roger A. (2008). University Physics (XII utg.). Addison Wesley. ISBN 978-0-321-50130-1. CS1-vedlikehold: Flere navn: forfatterliste (link)

Eksterne lenker

• Flipping Physics: «Charging by Electrostatic Induction», fra YouTube, lengde 0:13:14