8. Проводники в электростатическом поле. Электростатическая индукция. Электростатическая защита.
Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить, то на заряды проводника будет действовать электростатическое поле, в результате чего они начнут перемещаться до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в нуль =0. Иначе, если бы поле не было равно нулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии.
Следствия этого (
):
– потенциал во всех точках проводника одинаков;
– поверхность проводника является эквипотенциальной;
– вектор направлен по нормали к каждой точке поверхности;
–
При помещении нейтрального проводника
во внешнее поле свободные заряды
(электроны и ионы) начнут перемещаться:
положительные — по полю, а отрицательные
— против поля (рис.(а)). На одном конце
проводника будет избыток положительных
зарядов, на другом — отрицательных. Эти
заряды называются индуцированными.
Процесс будет продолжаться до тех пор,
пока напряженность поля внутри проводника
не станет равной нулю, а линии напряженности
вне проводника — перпендикулярными
его поверхности (рис.(б)).
– если проводнику сообщить некоторый
заряд q , то нескомпенсированные заряды
располагаются только на поверхности
проводника, причем D =σ и E =
, где σ - поверхностная плотность зарядов,
и ε — диэлектрическая проницаемость
среды, окружающей проводник.
Нейтральный проводник, внесенный в электростатическое поле, разрывает часть линий напряженности; они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.
Поле индуцированных зарядов полностью компенсирует внутри проводника внешнее поле. Иначе внутри проводника происходило бы движение электрических зарядов и распределение не было бы стационарным. Суммарное поле (внеш. и индуцир. зарядов) внутри проводника равно 0. Эл. поле будет отсутствовать во внутренней полости в материале проводника. На свойстве проводников экранировать внешнее поле (не пропускать их внутрь области, окруженной проводником) основывается электростатическая защита от действ. внешних электрических полей.
Замкнутый полый проводник экранирует полость внутри себя только от внешних зарядов и полей. Если внести заряды внутрь полости, то там появится и электр. поле (при том, что в самом проводнике поле по прежнему должно быть равно 0).
Суммарное поле вблизи проводника
перпендикулярно его поверхности и равно
,
где
- плотность индуцированных зарядов.
9. Электроемкость уединенного проводника. Электроемкость уединенного шара.
Рассмотрим уединенный проводник — проводник, удаленный от других тел и зарядов. Из опыта следует, что разные проводники, будучи одинаково заряженными, имеют разные потенциалы.
Физическая величина C, равная отношению заряда проводника q к его потенциалу , называется электрической емкостью этого проводника. С=q/
Электроемкость уединенного проводника численно равна заряду, который нужно сообщить этому проводнику для того, чтобы изменить его потенциал на единицу. Она зависит от формы и размеров проводника и от диэлектрических свойств окружающей среды. Емкости геометрически подобных проводников пропорциональны их линейным размерам.
Емкость уединенного проводящего шара:
.
Единица электроемкости — фарад (Ф): 1Ф — емкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1В при сообщении ему заряда 1Кл. Емкостью 1Ф обладает шар с радиусом R = 9 ⋅106 км. Емкость Земли 0,7мФ.