Электростатическая индукция — это явление, при котором на поверхности проводника или диэлектрика появляются электрические заряды под воздействием внешнего электрического поля. Это происходит за счёт перераспределения зарядов внутри проводников и поляризации внутренних микроструктур у диэлектриков.
В проводниках электростатическая индукция приводит к появлению противоположных зарядов на противоположных сторонах тела. Свободные электроны в проводнике перемещаются под действием внешнего поля, что вызывает образование индуцированных зарядов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока собственное поле проводника не компенсирует внешнее.
В диэлектриках электростатическая индукция проявляется в виде поляризации. Под действием внешнего поля связанные заряды внутри молекул диэлектрика смещаются, что приводит к появлению связанных зарядов на границах диэлектрика.
Итак, при электростатической индукции на поверхности проводника, внесенного во внешнее электростатическое поле, появляется электрический заряд. Данный заряд, который скапливается на поверхности упомянутого проводника, называется индуцированным или наведенным зарядом. Причем на противоположных сторонах такого проводника индуцированные заряды окажутся противоположного знака — с одной стороны будут положительные, с другой — отрицательные.
Накопление заряда на поверхности тела при электростатической индукции будет происходить до тех пор, пока собственное электростатическое поле данного тела почти полностью не скомпенсирует внешнее электростатическое поле, в которое это тело помещено. Так происходит с телами, обладающими высокой проводимостью, то есть с металлами, отличающимися низким удельным сопротивлением.
Явление электростатической индукции находит применение в технике. Его используют, например, для защиты от внешних электромагнитных и электростатических полей различных чувствительных цепей.
К таким цепям в первую очередь относятся: измерительные, приемные, высокочастотные и передающие цепи. Для их защиты изготавливают специальные металлические экраны в форме сеток или кожухов, которые заземляют либо гальванически соединяют с минусовым электродом защищаемой цепи.
Она также применяется в различных электростатических генераторах, таких как генератор Ван де Граафа.
Электростатическая защита, клетка Фарадея
Устройство электростатической защиты называется клеткой Фарадея по имени своего изобретателя Майкла Фарадея. Английский физик Майкл Фарадей, отец закона электромагнитной индукции, создал данное устройство в 1836 году.
В том или ином виде клетка Фарадея используется в технике по сей день для защиты (экранирования) электронной аппаратуры и техники от внешних электромагнитных полей. Обычно это клетка из материала с низким удельным сопротивлением или полая, хорошо проводящая ток, конструкция надлежащей формы.
Электростатическая защита на основе клетки Фарадея работает по следующему принципу. Когда замкнутая проводящая оболочка попадает в электрическое поле, свободные электроны в ней приходят в движение под действием этого поля. В результате, как было описано выше, противоположные стороны клетки приобретают противоположные заряды, компенсирующие своими полями внешнее электрическое поле.
Данный тип защиты применим только для экранирования от электрического поля, тогда как постоянное магнитное поле конечно же проникает внутрь защитной оболочки.
Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое опять же создает переменное электрическое поле. Поэтому если переменное электрическое поле заблокировать с помощью электростатической защиты на базе клетки Фарадея, то переменное магнитное поле на защищаемые элементы внутри так же не попадет, так как просто не будет генерироваться в той области.
Применение электростатической индукции в электронике
Электростатическая индукция широко используется в электронике для защиты чувствительных электрических цепей от внешних электростатических и электромагнитных полей.
Металлические экраны, изготовленные в виде сеток или кожухов, применяются для защиты измерительных, приемных, высокочастотных и передающих цепей. Эти экраны заземляются или гальванически соединяются с минусовым электродом защищаемой цепи, чтобы предотвратить влияние внешних полей.
Электростатическая индукция также используется в генераторах высокого напряжения, таких как генератор Ван де Граафа. В этих устройствах она позволяет генерировать высокие напряжения, которые необходимы для различных научных и промышленных приложений.
Кроме того, электростатическая индукция играет важную роль в ускорителях частиц, где используется для достижения высоких напряжений, необходимых для ускорения заряженных частиц.
Электростатическая индукция в повседневной жизни
Электростатическая индукция широко используется в различных устройствах, которые встречаются в повседневной жизни. Например, электростатические фильтры применяются для очистки воздуха от пыли, дыма и других мелких частиц. В этих устройствах электростатическая индукция притягивает загрязнения к поверхности, где они оседают, что позволяет эффективно очищать воздух.
Электростатическая индукция также использовалась в старых моделях электронных часов, калькуляторов и телевизоров для создания изображений на экране. Кроме того, она применяется для очистки поверхностей, таких как солнечные панели, от пыли без использования воды. Это достигается путем создания электростатического заряда, который отталкивает частицы пыли от поверхности.
Одним из наиболее распространенных приложений электростатической индукции является электрофотография, или ксерография. Этот метод печати использует электростатическую индукцию для создания изображений на бумаге или других материалах.
В ксерографии заряженный фоточувствительный слой притягивает тонер в нужных местах, формируя изображение.
Электростатическая индукция и альтернативная энергетика
Большое значение имеет электростатическая индукция для области новейшей альтернативной энергетики. Электростатическое воздействие на атмосферный воздух позволяет направлять заряженные частицы, находящиеся в нем, - к собирающим электрический заряд техническим устройствам.
В обычном состоянии заряженные частицы хаотично мечутся в воздухе, просто в силу явления теплового движения. При этом они трутся друг о друга, заряжая друг друга положительно и отрицательно — так образуются положительные и отрицательные ионы.
Технические устройства, благодаря явлению электростатической индукции, способны взаимодействовать с данными ионами, и использовать их заряды словно в электролите заряженной батареи. Данное направление активно исследуется в последние годы любителями альтернативной энергетики и электростатики.
Андрей Повный
