Лекция 20. Электростатика в веществе.

Введение.

Уже первые эксперименты в области электричества установили, что вещества различаются по своей способности проволить и сохранять «нечто электрическое». Примерно в 1730 г. англичанин Стефан Грэй произвел опыты, в которых с помощью хоть и довольно плохо, но проводящей веревки сумел передать «электрическое нечто» от одного тела к другому на расстояние в несколько сотен метров. Обнаружив различие между проводимостью и непроводимостью, исследователи заметили, что даже неэлектрик можно сильно наэлектризовать, расположив на стекле или подвесив на шелковых нитях. После работ Грэя и его современников электрики и неэлектрики стали называть, соответственно, электрическими изоляторами и электрическими проводниками.

Макро и микрополя в веществе.

Известно, вещество состоит из молекул и атомов. Размеры ядер и электронов малы по сравнению с размерами атомов – атомное ядро примерно в 10⁵ раз меньше размеров атома. Поэтому заряженные частицы занимают очень маленький объем, составляющий примерно от занимаемого телом пространства. Весь остальной объем – это вакуум. Находящиеся в непрерывном движении электроны и ядра, в состав которых входят положительно заряженные протоны, порождают в этом вакууме электрические и магнитные поля.

Эти поля в разных точках атомов и в промежутках между ними, меняется очень сложным образом как в пространстве, и во времени. Такое электрическое поле называют микрополем _микро. Распределение электронов и протонов, являющихся источниками этого поля, образуют, так называемую, микроплотность зарядов _микро. _микро и _микро нельзя измерить путем внесения пробного заряда, т.к. даже наименьший заряд - заряд электрона - при его помещении в интересующую точку существенно исказит как микрополе, так и микроскопическое распределение заряда.

Лоренц показал как, исходя из представлений о микрополях, можно прийти к уравнениям для описания макросостояний в телах. Переход к макрополям и макроплотностям происходит путем усреднения микрополей по пространству и времени (заметим, что после пространственного усреднения временное усреднение уже не требуется).

Чтобы результат усреднения не зависел от выбранного объема , необходимо выполнение следующих условий:

1. внутри объема должно содержаться большое число атомов и

2. объем должен быть настолько малым, чтобы можно было положить (быть бесконечно малым в сравнении с макровеличинами), т.е. его линейные размеры должны быть во много раз меньше, чем те расстояния, на которых макрополе меняется заметно.

Усреднение по таким объемам сглаживает все нерегулярные и быстро меняющиеся вариации микрополя на расстояниях порядка атомных, но сохраняет плавные изменения макрополя на микроскопических расстояниях.

В дальнейшем мы будем иметь дело со сглаженными усредненными полями, для которых будут выполняться основные уравнения электромагнетизма в веществе.

При внесении вещества во внешнее электрическое поле в этом веществе происходит смещение положительных и отрицательных зарядов (ядер и электронов) В различных областях вещества появляются нескомпенсированные заряды различного знака (наблюдается частичное разделение зарядов). Рассматриваемое явление называют электростатической индукцией, а появившиеся в результате разделения заряды – индуцированными зарядами.

Индуцированные заряды создают дополнительное электрическое поле. Поэтому макрополе в веществе образуется в результате суперпозиции внешнего и внутреннего полей

Известно, что вещества в соответствии с их свойствами (откликом на приложенное электрическое поле) можно условно разделить на диэлектрики (изоляторы), полупроводники, проводники, сверхпроводники или демонстрирующие некоторые промежуточные свойства. Хороший проводник и хороший изолятор по своим электрическим свойствам различаются так же сильно, как жидкость и твердое тело по механическим свойствам.