Elektrostatik endüksiyon

Elektrostatik endüksiyon, bir cismin yakınındaki yüklerin etkilemesi sebebiyle elektriksel yükünün yeniden dağılmasıdır. Ortamda yüklü cisim bulunması sonucu izoleli iletkenin bir ucu negatif bir ucu ise pozitif yükle yüklenir. Endüksiyon, 1753 yılında İngiliz bilim insanı John Canton ve 1762 yılında İsveçli bilim insanı Profesör Johan Carl Wilcke tarafından bulunmuştur. Elektrostatik jeneratörler, Wimshurst makinesi, Van de Graff jeneratörü ve elektrofor gibi, bu prensiple çalışır. Endüksiyon sayesinde elektrostatik potansiyel (voltaj) iletken boyunca her noktada sabittir. Endüksiyon aynı zamanda balon, kâğıt veya strafor hırdavatlar gibi hafif ve yalıtkan maddelerin statik elektrik yükünü çekmesini sağlar. Elektrostatik endüksiyon, elektromanyetik endüksiyon ile karıştırılmamalıdır.

Açıklama

1870'lerde indüksüyon gösterimi. Elektrostatik makinesinin pozitif terminalinin pozitif yük ve negatif yük elde edebilmesi için sol ucana yüksüz pirinç silindir yaklaştırılır.

Normal yüksüz bir cismin her yerinde eşit sayıda pozitif ve negatif elektrik yükü bulunur ve bu yükler birbirine yakın bulunduğundan cismin hiçbir kısmında net elektrik yükü bulunmaz. Atomların çekirdeğindeki pozitif yükler cismin bünyesine bağlı olduğunda serbestçe hareket edemezler. Atomların negatif yükleri atomlarda bulunan elektronlardır. Metal gibi elektriği ileten maddelerde, maddenin yapısındaki bazı elektronlar serbestçe hareket edebilirler. Metal gibi iletken yüksüz bir cismin yanına yüklü bir cisim getirilirse, Coulomb Kanunu’na göre yakındaki yükün oluşturduğu kuvvet sayesinde cismin iç yükünde bir ayrılma olur. Örneğin, eğer cismin yanına pozitif yüklü bir başka cisim getirilirse (bkz. Sağdaki resim), metaldeki elektronlar pozitif yük tarafından çekilecek ve cismin olduğu tarafa doğru çekilecektir. Elektronlar bu alandan çekildiğinde, çekirdekte dengesiz dağılan pozitif yük bırakacaklardır. Bu, yakındaki yüklü cisim tarafındaki alanda negatif yüklü alan oluşmasıyla ve tam karşısındaki alanda da pozitif yüklerin birikmesiyle sonuçlanır. Bunlar endüklenen yükler olarak adlandırılır. Eğer dışarıdaki yük negatif ise, yüklü alanların polaritesi tam tersi gibi olacaktır.

Bu süreç cisimdeki yüklerin yeniden dağılımı olduğu için, cisimdeki toplam yük miktarı değişmez ve cisimde hala net yük bulunmaz. Bu endüksiyon etkisi tersine çevrilebilirdir; eğer cismin yakınındaki yük kaldırılırsa, negatif ve pozitif iç yükler arasındaki çekim bu yüklerin tekrar birbirine karışmasına neden olur.

Bir cismi endüksiyon ile yüklemek

Altın yaprak elektroskop, uç kısmı toraklanmadan önce indüksiyon görünümü.

Bununla birlikte endüksiyon etkisi bir cisime net yük koymak için de kullanılır. Eğer, pozitif yüke yakın haldeyken, yukarıdaki cisim anlık olarak topraklanırsa, topraktaki bazı negatif yükler pozitif yükün çekim etkisiyle, cisme geçecektir. Topraklama kesildiğinde ise cisim net negatif yüklü olacaktır.

Bu metot altın yapraklı elektroskop -elektrik yükü saptamak için kullanılan bir cihaz- kullanılarak ispatlanabilir. Elektroskopun ilk olarak yükü boşaltılır, sonra cihazın üst ucuna yüklü bir cisim yaklaştırılır. Endüksiyon elektroskobun içindeki metal çubuktaki yüklerin eşit biçimde dağılmasını sağlar, böylece üst uç yaklaştırılan cismin polaritesinin tersi net yükle yüklenir ve elektroskobun yaprakları bu sırada aynı yükle yüklenip açılır. İki yaprak da aybı yükle yüklendiğinden, birbirini iter ve yapraklar ayrılır. Elektroskop net bir yük elde etmez: içindeki yük sadece yeniden dağılır, böylece yüklü cisim elektroskoptan uzaklaştırıldığında yapraklar tekrar bir araya gelir.

Fakat, eğer elektroskobun ucu ile toprak arasında kısa süreliğine bağlantı kurulursa, örneğin ucuna parmakla dokunulursa, bu topraktan elektroskoba yük geçmesine, uca yakın olan cisimdeki yükler tarafından çekilmesine sebep olur. Bu yük yaprakların nötrleşmesini ve tekrar birleşmesini sağlar. Böylelikle elektroskop yüklü cismin zıddı net bir yükle yüklenir. Bağlantı kesildiğinde, ör: parmağı geri çekmek, ekstra yükün elektroskoptan ayrılmasını engeller ve cihaz net bir yüke sahip olur. Bu yük indüklenmiş yükün çekimiyle elektroskobun üst ucunda tutulur. Ancak indüklenmiş yük geri çekildiğinde, elektroskoptaki yük uçtan yapraklara doğru dağılır ve böylece yapraklar tekrar birbirinden ayrılır. Topraklamadan sonra elektroskopta kalan yükün işareti her zaman için dışardaki indüklenmiş yükün tam zıddı olur. Endüksiyonun iki kuralı vardır:

• Eğer cisim topraklanmamışsa, yakındaki yük, cisimdeki zıt ve eşit yükleri indükler.
• Eğer indükleme yükü cismin yakınındayken, cismin herhangi bir parçası anlık olarak topraklanırsa, indükleme yükünün polaritesinin zıddı topraktan cisme doğru çekilir ve indükleme yükünün tersi yükü cisimde kalır.

İletken maddelerin içindeki elektrostatik alan sıfırdır

Yakındaki bir yük tarafında indüklenen yüzeydeki metal nesneler. Pozitif yükün sağladığı elektrik alan hareketli yükleri metal nesneden ayırmayı sağlar. Negatif yükler (mavi) çekilir ve nesnenin yüzeyine hareket eder. Pozitif yükler (kırmızı) uzağa bakan yüzeye geri itilir. Bu nedenle elekrostatik indüksiyon iletken bir nesne içerisindeki elektrik alanının sıfır olmasını sağlar.

Kalan diğer bir soru indüklenmiş yükün ne kadar büyük olduğu. Coulomb Kanunu'na göre yükün hareketine dışarıdaki yüklü cismin oluşturduğu elektrik alanın çıkardığı kuvvet sebep olmaktadır. Metal cisimdeki yükler ayrılmaya devam ettiği sürece dışardaki yüklü cisme karşı oluşan pozitif ve negatif bölgeler kendi elektrik alanlarını yaratır. Bu süreç çok kısa zaman için devam eder (saniyenin küçük bir kısmı içinde); indüklenmiş yükler dışardaki yükün metal cismin içindeki oluşturduğu elektriksel alanı yok edecek kadar olup dengeye ulaşılana kadar. Sonra, metalin içindeki kalan gezici yükler (elektronlar) daha fazla kuvvet hissetmezler ve yüklerin net hareketi durur.

İndüklenmiş yükler yüzeyde bulunurlar

Metal maddelerin içindeki gezici yüklerin tüm yönlere hareketi serbesttir, Metal bir nesnenin iç kısmındaki hareketli yükleri herhangi bir yönde serbest hareket ettirmek için, metal içindeki yükte statik konsantrasyon söz konusu olamaz; eğer varsa, onu etkisiz hale getirmek için ters polarite yük çekecek. Bu nedenle indiksiyonda hareketli yükler metal yüzeyine ulaşana kadar dış şarj etkisi altında hareket eder, hareketleri sınıra göre kısıtlanana kadar.

Bu iletken maddelerdeki elektrostatik yüklerin maddenin yüzeyinde bulunduğuna dair önemli bir prensip ortaya çıkarır. Dıştaki elektrik alan metal cismin üzerindeki yükleri indükleyerek içinde bulunduğu elektril alanı tamamen yok eder. Alan elektrostatik potansiyelin gradyanı olduğundan, bunu elektrostatikte farklı şekilde söylemek gerekirse, iletken cisim boyunca gerilim (voltaj) sabittir.

Yalıtkan Maddelerde Endüksiyon

Benzer endüksiyon etkisi yalıtkan (dielektrik) maddelerde görülür ve küçük, hafif yalıtkan maddelerdeki, balonlar, strafor veya kâğıt hırdavat malzemeleri gibi ve bu endüksiyon elektrik yüklerine karşı çekimin nedenidir. Yalıtkanlarda, iletkenlerdeki gibi elektronlar atom veya moleküllere bağlıdır ve serbestçe hareket edemezler; ancak moleküllerin içinde az miktarda hareket edebilirler.

Eğer bir pozitif yük yalıtkan bir maddenin yanına getirilirse pozitif çekirdekler itilir ve molekülün diğer tarafına doğru az miktarda hareket ederken, her bir moleküldeki elektronlar yüke doğru çekilirler ve yükün olduğu tarafa doğru hareket ederler. Bu durumda negatif yükler dışardaki yüke daha yakın olduğundan, pozitif yükleri çekmeleri itmelerinden daha fazla olur ve molekülün yüke doğru küçük net çekim kuvvetiyle sonuçlanır. Buna polarizasyon denir ve kutuplaşmış moleküllere ikiz kutuplu denir. Bu etki mikroskobiktir, ama bir sürü molekül olduğundan bir araya toplanıp strafor gibi hafif maddeleri hareket ettirecek güce sahiptir. Bu pith-ball elektroskobunun çalışma prensibidir.