Проводники и диэлектрики в электрическом поле

§ 4. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Все вещества условно разделяют на проводники и диэлектрики (изоляторы). Вещество, внесённое в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объёмам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле.

1. Проводники в ЭП

Проводниками называют вещества, имеющие электрические заряды, способные перемещаться по его объёму, – свободные заряды. В металлах это электроны; в растворах электролитов – ионы.

Типичными проводниками являются металлы. Электронная природа носителей тока в металлах объясняется следующим образом. Кристаллическая решётка металла состоит из положительно заряженных ионов, расположенных в её узлах, и электронов, свободно передвигающихся между узлами. Свободные электроны — это валентные электроны атомов металла, покинувшие свои атомы. Они совершают беспорядочное (тепловое) движение по кристаллу, «не помня», какому атому они принадлежали. Эти обобществлённые электроны называют электронным газом. Свободные электроны способны перемещаться под действием электрического поля. Положительные ионы участия в переносе заряда не принимают.

Будем рассматривать металлический проводник. В отсутствие внешнего электрического поля ( ) свободные электроны в нём движутся беспорядочно.

Поместим незаряженный проводник во внешнее электрическое поле

. Рассмотрим процессы, происходящие при этом (рис. 4.1). а) Свободные электроны приходят в движение, на противоположных сторонах поверхности проводника появляются наведённые – индуцированные – заряды противоположных знаков, возникает дополнительное индуцированное ЭП (

Рис. 4.1

Движение электронов внутри полости проводника (точнее, перераспределение носителей заряда) происходит до тех пор, пока поле внутри не станет равным нулю .

б) Индуцированный внешним полем заряд распределяется по поверхности проводника (как незаряженного, так и предварительно заряженного), причём так, что потенциал поверхности во всех её точках одинаков . Поэтому можно говорить о потенциале проводника, не указывая его конкретную точку. Отметим, что силовые линии электрического поля вне проводника искривляются в направлении перпендикулярном его поверхности.

Замечания.

1. Явление возникновения на поверхности проводника, внесённого в электрическое поле, нескомпенсированных положительных и отрицательных зарядов называют электростатической индукцией.

2. Оценки показывают, что равновесие зарядов на поверхности проводника устанавливается очень быстро. Например, в типичных металлах это время составляет .

3. Вывод о том, что индуцированный заряд может располагаться только на поверхности проводника, является следствием теоремы Остроградского-Гаусса.

4. Тот факт, что при установившемся равновесии поле внутри проводника равно нулю и поверхность проводника является эквипотенциальной, подтверждается экспериментально. Действительно, калориметрические измерения показывают, что не происходит нагревания проводника, т.е. нет движения зарядов (тока) внутри него и на его поверхности.

5. Распределение индуцированного заряда по поверхности проводника происходит таким образом, что поверхностная плотность заряда больше в тех точках поверхности, где больше её кривизна. Так, например, по поверхности сферы или плоскости заряд распределяется равномерно.

6. Свойство проводника, находящегося в ЭП (а именно, отсутствие поля внутри него), используется на практике для электростатической защиты, т.е. экранирования электро- и радиопроборов (и человека) от влияния внешних электростатических полей (см.рис.4.2). Для этого приборы окружают проводящим «экраном» (сплошным или изготовленным в виде сетки).

Рис. 4.2

7. Свойство проводника, находящегося в ЭП, индуцировать статический заряд (противоположных знаков) на его поверхности используется для зарядки проводника. Если пластину металла, не извлекая её из ЭП, разрезать (см. рис. 4.1) по некоторой линии внутри её полости (подумайте, как?), то получим две противоположно заряженные металлические пластины.

12 Следующая ⇒