18.2: Wafanyabiashara na Wahami

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza conductor na insulator, kuelezea tofauti, na kutoa mifano ya kila mmoja.
• Eleza njia tatu za malipo ya kitu.
• Eleza kinachotokea kwa nguvu ya umeme unapohamia mbali na chanzo.
• Kufafanua ubaguzi.

Dutu zingine, kama vile metali na maji ya chumvi, huruhusu mashtaka kuhamia kwao kwa urahisi wa jamaa. Baadhi ya elektroni katika metali na makondakta sawa si amefungwa kwa atomi binafsi au maeneo katika nyenzo. Elektroni hizi za bure zinaweza kuhamia kwa njia ya nyenzo kadiri hewa inapita kupitia mchanga huru. Dutu yoyote ambayo ina elektroni za bure na inaruhusu malipo kuhamia kwa uhuru kwa njia hiyo inaitwa conductor. Electroni zinazohamia zinaweza kugongana na atomi zilizowekwa na molekuli, kupoteza nishati fulani, lakini zinaweza kuhamia kwenye kondakta. Superconductors kuruhusu harakati ya malipo bila hasara yoyote ya nishati. Maji ya chumvi na vifaa vingine vinavyofanana vina vyenye ions za bure ambazo zinaweza kuhamia. Ioni ni atomi au molekuli yenye chaji chanya au hasi (nonzero) jumla. Kwa maneno mengine, jumla ya elektroni si sawa na jumla ya idadi ya protoni.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Adapta hii ya nguvu hutumia waya za chuma na viunganisho kufanya umeme kutoka tundu la ukuta kwenye kompyuta ya kompyuta. Wiring wanaofanya kuruhusu elektroni kuhamia kwa uhuru kupitia nyaya, ambazo zinalindwa na mpira na plastiki. Vifaa hivi hufanya kazi kama vihami ambavyo haziruhusu malipo ya umeme kutoroka nje. (mikopo: Evan-Amos, Wikimedia Commons)

Dutu nyingine, kama kioo, haziruhusu mashtaka kuhamia kupitia kwao. Hizi huitwa wahamiaji. Elektroni na ioni katika vihami vinafungwa katika muundo na haziwezi kusonga kwa urahisi—kama vile\(10^{23}\) mara polepole zaidi kuliko katika makondakta. Maji safi na chumvi kavu ya meza ni wahamiaji, kwa mfano, wakati chumvi iliyochujwa na maji ya chumvi ni conductors.

Kulipia kwa Mawasiliano

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kinaonyesha electroscope kuwa kushtakiwa kwa kugusa kwa fimbo chanya kushtakiwa kioo. Kwa sababu fimbo ya kioo ni insulator, ni lazima kweli kugusa electroscope kuhamisha malipo au kutoka kwao. (Kumbuka kuwa mashtaka ya ziada mazuri yanaishi juu ya uso wa fimbo ya kioo kama matokeo ya kuifuta kwa hariri kabla ya kuanza jaribio.) Kwa kuwa elektroni pekee huhamia katika metali, tunaona kwamba huvutiwa juu ya electroscope. Huko, baadhi huhamishiwa kwenye fimbo nzuri kwa kugusa, na kuacha electroscope na malipo mazuri.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Electroscope ni chombo cha kupenda katika maandamano ya fizikia na maabara ya wanafunzi. Kwa kawaida hufanywa na majani ya dhahabu ya dhahabu yaliyowekwa kwenye shina la chuma (conductive) na ni maboksi kutoka kwenye chumba cha hewa kwenye chombo cha kioo. (a) Fimbo ya kioo yenye kushtakiwa inaletwa karibu na ncha ya electroscope, kuvutia elektroni hadi juu na kuacha malipo mazuri kwenye majani. Kama mashtaka katika mwanga rahisi majani ya dhahabu kurudia, kutenganisha yao. (b) Wakati fimbo inaguswa dhidi ya mpira, elektroni huvutiwa na kuhamishwa, kupunguza malipo ya wavu kwenye fimbo ya kioo lakini huacha electroscope chaji chanya. (c) Mashtaka ya ziada yanasambazwa sawasawa katika shina na majani ya electroscope mara fimbo ya kioo imeondolewa.

Kuondolewa kwa umeme katika majani ya electroscope ya kushtakiwa hutenganisha. Nguvu ya umeme ina sehemu ya usawa inayosababisha majani kusonga mbali pamoja na sehemu ya wima inayosawazishwa na nguvu ya mvuto. Vile vile, electroscope inaweza kushtakiwa vibaya kwa kuwasiliana na kitu cha kushtakiwa vibaya.

Kulipia kwa Induction

Si lazima kuhamisha malipo ya ziada moja kwa moja kwa kitu ili kulipia. Kielelezo\(\PageIndex{3}\) inaonyesha njia ya introduktionsutbildning ambayo malipo ni kuundwa katika kitu karibu, bila kuwasiliana moja kwa moja. Hapa tunaona nyanja mbili za chuma zisizo na upande wowote katika kuwasiliana na kila mmoja lakini zimehifadhiwa kutoka kwa ulimwengu wote. Fimbo yenye kushtakiwa vizuri inaletwa karibu na mmoja wao, kuvutia malipo hasi kwa upande huo, na kuacha nyanja nyingine kushtakiwa vyema.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Kulipia kwa induction. (a) Vipande viwili vya chuma visivyopigwa au vya neutral vinawasiliana na kila mmoja lakini hutolewa kutoka kwa ulimwengu wote. (b) Fimbo ya kioo yenye kushtakiwa inaletwa karibu na nyanja upande wa kushoto, kuvutia malipo hasi na kuacha nyanja nyingine kushtakiwa vyema. (c) Vipengele vinatenganishwa kabla ya fimbo kuondolewa, hivyo kutenganisha malipo hasi na mazuri. (d) nyanja zinahifadhi mashtaka ya wavu baada ya fimbo inducing ni kuondolewa-bila milele kuwa kuguswa na kitu kushtakiwa.

Huu ni mfano wa polarization ikiwa ya vitu vya neutral. Ubaguzi ni mgawanyo wa mashtaka katika kitu ambacho kinabakia neutral. Ikiwa nyanja sasa zinajitenga (kabla ya fimbo kuvutwa mbali), kila nyanja itakuwa na malipo ya wavu. Kumbuka kuwa kitu kilicho karibu na fimbo ya kushtakiwa hupokea malipo kinyume wakati wa kushtakiwa na induction. Kumbuka pia kwamba hakuna malipo yanayoondolewa kwenye fimbo iliyoshtakiwa, ili mchakato huu uweze kurudiwa bila kuondokana na usambazaji wa malipo ya ziada.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Kulipia kwa induction, kwa kutumia uhusiano wa ardhi. (a) Fimbo yenye kushtakiwa inaletwa karibu na nyanja ya chuma ya neutral, kuifuta. (b) Uwanja huo umewekwa, kuruhusu elektroni kuvutia kutoka kwa ugavi mkubwa wa dunia. (c) Uunganisho wa ardhi umevunjika. (d) Fimbo nzuri huondolewa, na kuacha nyanja na malipo yasiyosababishwa.

Njia nyingine ya malipo kwa induction inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\). Sehemu ya chuma ya neutral ni polarized wakati fimbo ya kushtakiwa inaletwa karibu nayo. Uwanja huo umewekwa msingi, maana yake ni kwamba waya unaoendesha huendeshwa kutoka kwenye nyanja hadi chini. Kwa kuwa dunia ni kubwa na ardhi nyingi ni kondakta mzuri, inaweza kusambaza au kukubali malipo ya ziada kwa urahisi. Katika kesi hiyo, elektroni huvutiwa na nyanja kupitia waya inayoitwa waya wa ardhi, kwa sababu hutoa njia ya kuendesha chini. Uunganisho wa ardhi umevunjika kabla ya fimbo ya kushtakiwa imeondolewa, na kuacha nyanja kwa malipo ya ziada kinyume na ile ya fimbo. Tena, malipo ya kinyume yanapatikana wakati wa malipo kwa induction na fimbo ya kushtakiwa inapoteza hakuna malipo yake ya ziada.

Vitu vya neutral vinaweza kuvutia kitu chochote cha kushtakiwa. Vipande vya majani vinavyovutiwa na amber iliyopigwa ni neutral, kwa mfano. Ikiwa unatumia sufuria ya plastiki kupitia nywele zako, sufuria ya kushtakiwa inaweza kuchukua vipande vya karatasi vya neutral. Kielelezo\(\PageIndex{5}\) inaonyesha jinsi ubaguzi wa atomi na molekuli katika vitu neutral matokeo katika mvuto wao kwa kitu kushtakiwa.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Vitu vyote vyema na hasi huvutia kitu cha neutral kwa kupiga molekuli zake. (a) Kitu chanya kilicholetwa karibu na insulator ya neutral hupunguza molekuli zake. Kuna mabadiliko kidogo katika usambazaji wa elektroni zinazozunguka molekuli, huku tofauti na mashtaka yanaletwa karibu na kama mashtaka yamehamishwa mbali. Kwa kuwa nguvu ya umeme inapungua kwa umbali, kuna kivutio cha wavu. (b) Kitu hasi hutoa polarization kinyume, lakini tena huvutia kitu cha neutral. (c) Athari sawa hutokea kwa kondakta; kwa kuwa mashtaka tofauti ni karibu, kuna kivutio cha wavu.

Wakati fimbo ya kushtakiwa inaletwa karibu na dutu ya neutral, insulator katika kesi hii, usambazaji wa malipo katika atomi na molekuli hubadilishwa kidogo. Malipo ya kinyume yanavutiwa karibu na fimbo ya kushtakiwa ya nje, wakati kama malipo yanakabiliwa. Kwa kuwa nguvu ya umeme inapungua kwa umbali, kupinduliwa kwa mashtaka kama hayo ni dhaifu kuliko mvuto wa mashtaka tofauti, na hivyo kuna kivutio cha wavu. Hivyo fimbo ya kioo yenye kushtakiwa huvutia vipande vya karatasi vya neutral, kama vile fimbo ya mpira ya kushtakiwa vibaya. Baadhi ya molekuli, kama maji, ni molekuli za polar. Molekuli za polar zina mgawanyo wa asili au wa asili wa malipo, ingawa hawana neutral kwa ujumla. Molekuli polar ni hasa walioathirika na vitu vingine kushtakiwa na kuonyesha madhara makubwa ubaguzi kuliko molekuli na mgawanyo kawaida sare malipo.

Angalia Uelewa Wako

Je, unaweza kuelezea mvuto wa maji kwenye fimbo iliyoshtakiwa katika takwimu hapa chini?

Kielelezo\(\PageIndex{6}\).

Suluhisho

Molekuli ya maji ni polarized, kuwapa pande chanya kidogo na kidogo hasi. Hii inafanya maji hata zaidi wanahusika na mvuto kushtakiwa fimbo ya. Kama maji inapita chini, kutokana na nguvu ya mvuto, conductor kushtakiwa ina mvuto wavu kwa mashtaka kinyume katika mkondo wa maji, kuunganisha karibu.

PHET EXPLORATIONS: JOHN TRAVOLTAGE

Kufanya cheche kuruka na John Travoltage. Wiggle Johnnie mguu na yeye anachukua mashtaka kutoka carpet. Kuleta mkono wake karibu na kitovu cha mlango na uondoe malipo ya ziada.

Muhtasari

• Polarization ni kujitenga kwa mashtaka mazuri na hasi katika kitu cha neutral.
• Kondakta ni dutu ambayo inaruhusu malipo kuzunguka kwa uhuru kupitia muundo wake wa atomiki.
• Insulator inashikilia malipo ndani ya muundo wake wa atomiki.
• Vitu vilivyo na mashtaka kama hayo vinarudiana, wakati wale walio na mashtaka tofauti huvutia.
• Kitu kinachoendesha kinasemekana kuwa msingi ikiwa kinaunganishwa na Dunia kupitia kondakta. Kutetemeka inaruhusu uhamisho wa malipo na kutoka kwenye hifadhi kubwa ya dunia.
• Vitu vinaweza kushtakiwa kwa kuwasiliana na kitu kingine cha kushtakiwa na kupata malipo sawa ya ishara.
• Ikiwa kitu kinawekwa kwa muda, kinaweza kushtakiwa kwa induction, na hupata malipo ya ishara kinyume.
• Vitu vyenye polarized vina mashtaka yao mazuri na mabaya yaliyojilimbikizia katika maeneo tofauti, na kuwapa malipo yasiyo ya kawaida.
• Molekuli za polar zina tofauti ya asili ya malipo.

faharasa

elektroni huru

elektroni ambayo ni bure kwa hoja mbali na obiti yake atomiki

kondakta

nyenzo ambayo inaruhusu elektroni kuhamia tofauti na orbits yao ya atomiki

kizio

nyenzo ambazo zinashikilia elektroni salama ndani ya njia zao za atomiki

wekwa msingi

wakati conductor ni kushikamana na Dunia, kuruhusu malipo kwa uhuru kati yake na kutoka hifadhi ya ukomo duniani

induction

mchakato ambao kitu cha kushtakiwa kwa umeme kilicholetwa karibu na kitu cha neutral kinajenga malipo katika kitu hicho

ubaguzi

kidogo shifting ya mashtaka chanya na hasi kwa pande kinyume ya chembe au molekuli

repulsion ya umeme

uzushi wa vitu viwili na mashtaka kama repelling kila mmoja