इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रेरण

इलेक्ट्रोस्टैटिक इंडक्शन, जिसे इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रभाव के रूप में भी जाना जाता है या यूरोप और लैटिन अमेरिका में केवल प्रभाव के रूप में जाना जाता है, एक वस्तु में विद्युत आवेश का पुनर्वितरण है जो आस-पास के आवेशों के प्रभाव के कारण होता है। आवेशित पिंड की उपस्थिति में, एक विद्युतरोधी चालक के एक सिरे पर धनात्मक आवेश और दूसरे सिरे पर ऋणात्मक आवेश विकसित हो जाता है। इंडक्शन की खोज 1753 में ब्रिटिश वैज्ञानिक  जॉन कैंटन  और 1762 में स्वीडिश प्रोफेसर  जोहान कार्ल विल्के  ने की थी।  इलेक्ट्रोस्टैटिक जनरेटर, जैसे कि  विम्सहर्स्ट मशीन ,  वान डी ग्राफ जनरेटर  और  इलेक्ट्रोफोरस , इस सिद्धांत का उपयोग करते हैं। इस संदर्भ में  स्टीफन ग्रे (वैज्ञानिक)  को भी देखें। प्रेरण के कारण, पूरे कंडक्टर में किसी भी बिंदु पर  इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता  ( वोल्टेज ) स्थिर होती है। इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रेरण प्रकाश गैर-प्रवाहकीय वस्तुओं के आकर्षण के लिए भी जिम्मेदार है, जैसे कि गुब्बारे, कागज या स्टायरोफोम स्क्रैप, स्थिर विद्युत आवेशों के लिए। इलेक्ट्रोस्टैटिक इंडक्शन कानून डायनेमिक स्थितियों में लागू होते हैं जहां तक ​​​​क्यूसिस्टैटिक सन्निकटन मान्य है।

स्पष्टीकरण
पदार्थ के एक सामान्य अपरिवर्तित टुकड़े में इसके प्रत्येक भाग में समान संख्या में धनात्मक और ऋणात्मक विद्युत आवेश होते हैं, जो एक साथ स्थित होते हैं, इसलिए इसके किसी भी भाग में शुद्ध विद्युत आवेश नहीं होता है। धनात्मक आवेश परमाणु ओं के  परमाणु नाभिक  होते हैं जो पदार्थ की संरचना में बंधे होते हैं और स्थानांतरित करने के लिए स्वतंत्र नहीं होते हैं। ऋणात्मक आवेश परमाणुओं के  इलेक्ट्रॉन  होते हैं। विद्युत चालक वस्तुओं जैसे धातु में, कुछ इलेक्ट्रॉन वस्तु में स्वतंत्र रूप से घूमने में सक्षम होते हैं।

जब एक आवेशित वस्तु को एक विद्युत चालक वस्तु, जैसे कि धातु का एक टुकड़ा, के पास लाया जाता है, तो कूलम्ब के नियम के कारण पास के आवेश का बल इन आंतरिक आवेशों को अलग करने का कारण बनता है। उदाहरण के लिए, यदि किसी वस्तु के पास एक धनात्मक आवेश लाया जाता है (इलेक्ट्रोस्टैटिक मशीन के पास बेलनाकार इलेक्ट्रोड का चित्र देखें), तो धातु में इलेक्ट्रॉन उसकी ओर आकर्षित होंगे और वस्तु के सामने की ओर चले जाएंगे। जब इलेक्ट्रॉन किसी क्षेत्र से बाहर जाते हैं, तो वे नाभिक के कारण असंतुलित सकारात्मक आवेश छोड़ते हैं। इसका परिणाम बाहरी आवेश के निकटतम वस्तु पर ऋणात्मक आवेश का क्षेत्र और उससे दूर के भाग पर धनात्मक आवेश का क्षेत्र होता है। इन्हें प्रेरित शुल्क कहा जाता है। यदि बाह्य आवेश ऋणात्मक है, तो आवेशित क्षेत्रों की ध्रुवता उलट जाएगी।

चूँकि यह प्रक्रिया केवल उन आवेशों का पुनर्वितरण है जो पहले से ही वस्तु में थे, यह वस्तु पर कुल आवेश को नहीं बदलता है; इसका अभी भी कोई नेट चार्ज नहीं है। यह प्रेरण प्रभाव प्रतिवर्ती है; यदि आस-पास के आवेश को हटा दिया जाता है, तो धनात्मक और ऋणात्मक आंतरिक आवेशों के बीच आकर्षण उन्हें फिर से आपस में मिलाने का कारण बनता है।

इंडक्शन द्वारा किसी वस्तु को चार्ज करना
हालाँकि, प्रेरण प्रभाव का उपयोग किसी वस्तु पर शुद्ध आवेश डालने के लिए भी किया जा सकता है। यदि, जबकि यह सकारात्मक आवेश के करीब है, तो उपरोक्त वस्तु क्षण भर के लिए एक विद्युत चालक पथ के माध्यम से जमीन (बिजली)  से जुड़ी होती है, जो सकारात्मक और नकारात्मक दोनों तरह के आवेशों का एक बड़ा भंडार है, जमीन में कुछ नकारात्मक आवेश प्रवाहित होंगे वस्तु में, पास के सकारात्मक चार्ज के आकर्षण के तहत। जब जमीन से संपर्क टूट जाता है, तो वस्तु पर शुद्ध ऋणात्मक आवेश रह जाता है।

इस विधि को सोने की पत्ती वाले इलेक्ट्रोस्कोप का उपयोग करके प्रदर्शित किया जा सकता है, जो विद्युत आवेश का पता लगाने के लिए एक उपकरण है। इलेक्ट्रोस्कोप को पहले डिस्चार्ज किया जाता है, और फिर एक आवेशित वस्तु को उपकरण के शीर्ष टर्मिनल के करीब लाया जाता है। प्रेरण इलेक्ट्रोस्कोप की धातु की छड़ के अंदर आवेशों को अलग करने का कारण बनता है, जिससे शीर्ष टर्मिनल वस्तु के विपरीत ध्रुवता का शुद्ध आवेश प्राप्त करता है, जबकि सोने की पत्तियाँ समान ध्रुवता का आवेश प्राप्त करती हैं। चूँकि दोनों पत्तियों पर समान आवेश होता है, वे एक दूसरे को प्रतिकर्षित करती हैं और दूर फैल जाती हैं। इलेक्ट्रोस्कोप ने शुद्ध आवेश प्राप्त नहीं किया है: इसके भीतर के चार्ज को केवल पुनर्वितरित किया गया है, इसलिए यदि आवेशित वस्तु सोने की पत्ती वाला इलेक्ट्रोस्कोप  से दूर ले जाया जाए तो पत्तियां फिर से एक साथ आ जाएंगी।

लेकिन अगर इलेक्ट्रोस्कोप टर्मिनल और जमीन (बिजली) के बीच अब एक विद्युत संपर्क बनाया जाता है, उदाहरण के लिए टर्मिनल को उंगली से छूकर, यह चार्ज को जमीन से टर्मिनल तक प्रवाहित करता है, वस्तु के करीब चार्ज से आकर्षित होता है। टर्मिनल। यह आवेश सोने की पत्तियों में आवेश को बेअसर कर देता है, इसलिए पत्तियाँ फिर से एक साथ आ जाती हैं। इलेक्ट्रोस्कोप में अब आवेशित वस्तु के विपरीत ध्रुवता में एक शुद्ध आवेश होता है। जब पृथ्वी से विद्युत संपर्क टूट जाता है, उदा. उंगली उठाने से, अतिरिक्त चार्ज जो अभी-अभी इलेक्ट्रोस्कोप में प्रवाहित हुआ है, बच नहीं सकता है, और उपकरण नेट चार्ज बनाए रखता है। प्रेरक आवेश के आकर्षण द्वारा विद्युतदर्शी  टर्मिनल के शीर्ष पर आवेश को रखा जाता है। लेकिन जब उत्प्रेरण आवेश को हटा दिया जाता है, तो आवेश निकल जाता है और पूरे इलेक्ट्रोस्कोप टर्मिनल में पत्तियों तक फैल जाता है, इसलिए सोने की पत्तियाँ फिर से अलग हो जाती हैं।

ग्राउंडिंग के बाद इलेक्ट्रोस्कोप पर छोड़े गए आवेश का चिन्ह हमेशा बाहरी प्रेरक आवेश के विपरीत होता है। प्रेरण के दो नियम हैं:
 * यदि वस्तु जमीन पर नहीं है, तो पास का आवेश वस्तु में समान और विपरीत आवेश उत्पन्न करेगा।
 * यदि वस्तु का कोई भी हिस्सा क्षण भर के लिए जमींदोज हो जाता है, जबकि उत्प्रेरण आवेश निकट होता है, तो उत्प्रेरण आवेश के विपरीत ध्रुवता में एक आवेश वस्तु में जमीन से आकर्षित होगा, और यह प्रेरक आवेश के विपरीत आवेश के साथ रह जाएगा।

एक प्रवाहकीय वस्तु के अंदर इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र शून्य
है एक शेष प्रश्न यह है कि प्रेरित शुल्क कितने बड़े हैं। आवेशों की गति, कूलम्ब के नियम द्वारा, बाहरी आवेशित वस्तु के विद्युत क्षेत्र द्वारा उन पर लगाए गए बल के कारण होती है। जैसे-जैसे धातु की वस्तु में आवेश अलग होते जाते हैं, परिणामी धनात्मक और ऋणात्मक क्षेत्र अपना स्वयं का विद्युत क्षेत्र बनाते हैं, जो बाह्य आवेश के क्षेत्र का विरोध करता है। यह प्रक्रिया तब तक जारी रहती है जब तक बहुत जल्दी (एक सेकंड के एक अंश के भीतर) एक संतुलन स्थिति तक नहीं पहुंच जाती है जिसमें धातु वस्तु के आंतरिक भाग में बाहरी विद्युत क्षेत्र को रद्द करने के लिए प्रेरित आवेश बिल्कुल सही आकार और आकार के होते हैं। तब धातु के आंतरिक भाग में शेष मोबाइल आवेश (इलेक्ट्रॉन) अब बल महसूस नहीं करते हैं और आवेशों की शुद्ध गति रुक ​​जाती है।

प्रेरित आवेश सतह पर रहता है
चूंकि किसी धातु वस्तु के आंतरिक भाग में गतिशील आवेश (इलेक्ट्रॉन) किसी भी दिशा में गति करने के लिए स्वतंत्र होते हैं, इसलिए धातु के अंदर आवेश की स्थिर सांद्रता कभी नहीं हो सकती है; यदि होता, तो वह अपने पारस्परिक प्रतिकर्षण के कारण बिखर जाता। इसलिए प्रेरण में, मोबाइल चार्ज धातु के माध्यम से बाहरी चार्ज के प्रभाव में इस तरह से चलते हैं कि वे स्थानीय इलेक्ट्रोस्टैटिक तटस्थता बनाए रखते हैं; किसी भी आंतरिक क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों का ऋणात्मक आवेश नाभिक के धनात्मक आवेश को संतुलित करता है। इलेक्ट्रॉन तब तक गति करते हैं जब तक कि वे धातु की सतह तक नहीं पहुंच जाते हैं और वहां इकट्ठा हो जाते हैं, जहां वे सीमा से आगे बढ़ने से विवश होते हैं। सतह ही एकमात्र स्थान है जहां एक शुद्ध विद्युत आवेश मौजूद हो सकता है।

यह सिद्धांत स्थापित करता है कि प्रवाहकीय वस्तुओं पर इलेक्ट्रोस्टैटिक शुल्क वस्तु की सतह पर रहते हैं।  बाहरी विद्युत क्षेत्र धातु की वस्तुओं पर सतह के आवेशों को प्रेरित करते हैं जो क्षेत्र को बिल्कुल रद्द कर देते हैं।

एक प्रवाहकीय वस्तु में वोल्टेज स्थिर
है दो बिंदुओं के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता या वोल्टेज को दो बिंदुओं के बीच एक विद्युत क्षेत्र के माध्यम से एक छोटे सकारात्मक चार्ज को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा  (कार्य) के रूप में परिभाषित किया गया है, जो चार्ज के आकार से विभाजित है। यदि कोई विद्युत क्षेत्र बिंदु से निर्देशित है $$\mathbf{b}$$ बात करने के लिए $$\mathbf{a}$$ तब यह किसी आवेश से गतिमान होने पर बल लगाएगा $$\mathbf{a}$$ को $$\mathbf{b}$$. आवेश को स्थानांतरित करने के लिए बल द्वारा कार्य करना होगा $$\mathbf{b}$$ विद्युत क्षेत्र के विरोधी बल के विरुद्ध। इस प्रकार चार्ज की इलेक्ट्रोस्टैटिक संभावित ऊर्जा में वृद्धि होगी। तो बिंदु पर संभावित $$\mathbf{b}$$ बिन्दु से अधिक है $$\mathbf{a}$$. विद्युत क्षेत्र $$\mathbf{E}(\mathbf{x})$$ किसी भी बिंदु पर $$\mathbf{x}$$ इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता का ढाल  (परिवर्तन की दर) है $$V(\mathbf{x})$$ :
 * $$\nabla V = \mathbf{E}\,$$

चूँकि आवेशों पर बल लगाने के लिए किसी प्रवाहकीय वस्तु के अंदर कोई विद्युत क्षेत्र नहीं हो सकता है $$(\mathbf{E} = 0)\,$$, एक प्रवाहकीय वस्तु के भीतर क्षमता का ढाल शून्य होता है :$$\nabla V = \mathbf{0}\,$$ इसे कहने का दूसरा तरीका यह है कि इलेक्ट्रोस्टैटिक्स में, इलेक्ट्रोस्टैटिक इंडक्शन यह सुनिश्चित करता है कि एक प्रवाहकीय वस्तु में क्षमता (वोल्टेज) स्थिर है।

ढांकता हुआ वस्तुओं में प्रेरण
एक समान प्रेरण प्रभाव गैर-चालक ( ढांकता हुआ ) वस्तुओं में होता है, और छोटे प्रकाश गैर-प्रवाहकीय वस्तुओं के आकर्षण के लिए जिम्मेदार होता है, जैसे गुब्बारे, कागज के स्क्रैप या स्टायरोफोम,  स्थैतिक बिजली  के लिए   (बिल्ली देखें, ऊपर), साथ ही कपड़ों में  स्थिर चिपटना ।

अचालकों में, इलेक्ट्रॉन परमाणुओं या अणु ओं से बंधे होते हैं और कंडक्टरों की तरह वस्तु के चारों ओर गति करने के लिए स्वतंत्र नहीं होते हैं; हालाँकि वे अणुओं के भीतर थोड़ा आगे बढ़ सकते हैं। यदि एक गैर-प्रवाहकीय वस्तु के पास एक धनात्मक आवेश लाया जाता है, तो प्रत्येक अणु में इलेक्ट्रॉन उसकी ओर आकर्षित होते हैं, और आवेश के सामने वाले अणु की ओर बढ़ते हैं, जबकि धनात्मक  नाभिक (परमाणु संरचना)  को पीछे हटा दिया जाता है और थोड़ा विपरीत दिशा में चला जाता है। अणु का। चूँकि ऋणात्मक आवेश अब धनात्मक आवेशों की तुलना में बाहरी आवेश के अधिक निकट हैं, उनका आकर्षण धनात्मक आवेशों के प्रतिकर्षण से अधिक है, जिसके परिणामस्वरूप आवेश की ओर अणु का एक छोटा शुद्ध आकर्षण होता है। यह प्रभाव सूक्ष्म है, लेकिन चूंकि बहुत सारे अणु हैं, यह स्टायरोफोम जैसी हल्की वस्तु को स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त बल जोड़ता है।

किसी बाह्य विद्युत क्षेत्र के कारण किसी अणु में आवेश के वितरण में होने वाले इस परिवर्तन को प्रेरित ध्रुवीकरण  कहा जाता है। और ध्रुवित अणुओं को द्विध्रुव कहा जाता है। यह एक  ध्रुवीय अणु  के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए, जिसकी संरचना के कारण सकारात्मक और नकारात्मक अंत होता है, यहां तक ​​​​कि बाहरी चार्ज की अनुपस्थिति में भी। यह एक इलेक्ट्रोस्कोप#पिथ-बॉल इलेक्ट्रोस्कोप|पिथ-बॉल इलेक्ट्रोस्कोप के संचालन का सिद्धांत है।