14

Тема: ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Все твердые вещества, с точки зрения их электрических свойств, разделяются на два типа:

Проводники (металлы) Наличие свободных электронов: 1 – 2 электрона от каждого атома решетки отрываются и могут свободно перемещаться в пределах металла

Диэлектрики (изоляторы) При температуре все электроны связаны со своими атомами. (При повышении температуры незначительная доля электронов отрывается от атомов)

Электрические свойства проводников объясняются наличием в них свободных электронов.

§ 1. Свойства проводников в электростатическом поле

1. Внутри проводника Е = 0.

Это условие равновесия свободных электронов внутри проводника.

Это достигается за счет перераспределения электронов внутри проводника.

Представим себе проводник, помещенный во внешнее электрическое поле . В начальный момент это поле проникает в толщу проводника и на каждый свободный электрон действует сила , направленная против поля (рис. 1). Под действием этой силы электроны начинают двигаться и скапливаться на одном торце проводника, а на другом торце образуется нескомпенсированный положительный заряд. Заряды, образовавшиеся на поверхности проводника – их называют индуцированными, или наведёнными, – создают собственное поле , направленное противоположно полю внешних зарядов . Перемещение свободных электронов прекратится, когда будет достигнуто равновесие:

во всех точках внутри проводника.

Рис. 1. Рис. 2.

Итак, при помещении проводника в электрическое поле на поверхности проводника появляются нескомпенсированные заряды различного знака. Это явление называют электростатической индукцией, а появившиеся в результате разделения заряды – индуцированными.

Алгебраическая сумма индуцированных зарядов равна нулю:

.

Д емонстрация:

электростатическая индукция.

Сначала проводники А и В соединены. К ним подносится заряженное тело С – происходит разделение заряда на проводниках АВ.

Уберем тело С, а затем разъединим тела А и В. Их заряд сохранится.

2. Поле вблизи поверхности проводника.

Наложение поля внешних зарядов и поля индуцированных зарядов происходит не только внутри проводника, но и снаружи. Таким образом, проводник изменяет поле везде: .

Чтобы свободные заряды на поверхности проводника находились в равновесии, необходимо, чтобы поле было перпендикулярно поверхности (так как заряды могут двигаться только вдоль неё):

поверхности

На рисунках показано, как изменилось однородное поле (рис.2) и поле точечного заряда (рис. 3) при внесении в это поле нейтрального проводника.

Рис. 3

Демонстрация: металлическая сетка.

Металлическая сетка заряжается от электрофорной машины. Листочки фольги снаружи становятся перпендикулярно сетке (вдоль линий напряженности).

3. Эквипотенциальность проводника.

Поле снаружи от проводника перпендикулярно его поверхности. Любая поверхность, перпендикулярная линиям напряженности, является эквипотенциальной. Следовательно, поверхность проводника эквипотенциальна.

Внутри проводника . Значит, разность потенциалов равна нулю между любыми точками внутри проводника, а также его поверхностью.

Вывод: весь проводник эквипотенциален.

О братите внимание: все рассуждения пп. 1), 2), 3) справедливы не только для нейтрального проводника, помещенного во внешнее поле, но также для заряженного проводника. Поле во всем пространстве есть векторная сумма поля помещенных на проводник зарядов и поля возникающих на поверхности индуцированных зарядов.

Демонстрации:

А) эквипотенциальность поверхности проводника

З онд соединён с электрометром, корпус которого заземлён. Электрометр измеряет разность потенциалов между зондом и землёй.

Б) Исследование потенциала полого проводника

с помощью зонда.