Elektrostatisk induksjon

Elektrostatisk induksjon, også kjent som elektrostatisk influens eller bare influens, er en omfordeling av elektrisk ladning i et objekt, forårsaket av påvirkning av nærliggende ladninger. I nærvær av et ladet legeme utvikler en isolert leder en positiv ladning på den ene siden og negativ ladning på den andre enden.
Prinsippet benyttes i elektrostatiske generatorer, for eksempel Wimshursts maskin, Van de Graaff-generatoren og elektroforen. Elektrostatisk induksjon er årsaken til tiltrekningen som oppstår mellom lette ikke-ledende partikler, for eksempel ballonger, papirbiter eller styrofoam som blir tiltrukket av større objekter som er laddet med statisk elektrisitet. Lovene for elektrostatisk induksjon gjelder også i dynamiske situasjoner med visse tilnærminger. Elektrostatisk induksjon må ikke forveksles med elektromagnetisk induksjon.
Elektrostatisk induksjon benyttes i mange industrielle sammenhenger, blant annet lakkering av bilder.

Påvirkning mellom forskjellige legmer

Elektrostatisk induksjon ble oppdaget av den britiske forskeren John Canton i 1753 og den svensk professoren Johan Carl Wilcke i 1762.
En 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 det har en netto elektrisk ladning. De positive ladningene er atomenes kjernene 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 er i stand til å bevege seg fritt i stoffet.
Når en ladet gjenstand er brakt nær en uladet elektrisk ledende objekt, for eksempel et metallstykke, er styrken av de nærliggende ladningene på grunn av elektrisk kraft stor nok til å gi en separasjon av objektets interne ladninger. For eksempel vil en positiv ladning som bringes nært et metallobjekt få elektronene i metallet til å bli tiltrukket av den, se illustrasjon til høyre. 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 på den delen som vender bort. Disse kalles induserte ladninger. Om derimot den den eksterne ladning er negativ, vil polariteten av de ladede regionene i objektet bli omvendt.
Siden denne prosessen bare er en omfordeling av ladninger som allerede var i objektet fra før, betyr det ikke noen endring av den totale ladningen i den: Objektet har 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 ladninger i objektet sørge for at de redistribueres tilbake til et nøytralt mønster.

Den elektrostatiske felt inne i en ledende gjenstand

Et viktig spørsmålet er størrelsen av de induserte ladningene. Bevegelsen av ladninger som er forårsaket av kraften som utøves av det elektriske feltet fra den ytre lade gjenstanden, kan bestemmes ved Coulombs lov. Ettersom ladningene i en metallgjenstand fortsetter å separere seg vil de resulterende positive og negative regioner skape sitt egen elektrisk felt. Dette vil motvirker feltet av den ytre ladning. Prosessen fortsetter nokså raskt (i løpet av en noen brøkdeler av et sekund) inntil en likevektstilstand oppnås, hvor de 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 føler 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 indusere overflateladninger på metallgjenstander som akkurat avbryte felt innenfor.

Induksjon i elektriske isolerende gjenstander

Elektrostatisk induksjon oppstår også i ikke-ledende dielektriske objekter, og er 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 lederne, men de kan bevege seg i de molekylene de er bundet opp i.
Hvis en positiv ladet objekt bringes i nærheten av et ikke-ledende gjennstand blir elektronene i hvert molekyl tiltrukket mot den, og beveger seg til den side av molekylet som vender mot gjennstanden. De positive atomkjernene blir frastøtt og bevege seg noe til den motsatte side av molekylet. Siden de negative ladninger i stoffet nå er kommet nærmere den ekstern 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, og de polariserte molekylene kalles dipoler. Denne effekten er mikroskopisk, men siden det er så mange molekyler oppstår det en kraft som er stor nok til å kunne flytte en lett gjenstand som for eksempel papirbiter.
Elektrostatisk induksjon og tiltrekking har mange praktiske anvendelser. Et 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 metalldelen 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 forhindrer at så mye lakk forsvinner ut i luften, dessuten fås en spesielt fin overflate.