Глава 2. Проводник в электростатическом поле

2.1. Поле в веществе

Микро- и макрополе. Истинное электрическое поле в любом веществе, − его называют микрополем, − меняется весьма резко как в пространстве, так и во времени. Оно различно в разных точках атомов и промежутках между ними. Чтобы найти напряженность Е истинного поля в некоторой точке в данный момент, нужно было бы сложить напряженности полей всех отдельных заряженных частиц вещества − электронов и ядер. Решение этой задачи нереально и вовсе не нужно. Для многих целей достаточно более простое и несравненно более грубое описание, которым мы и будем пользоваться в дальнейшем.

Под электрическим полем Е в веществе − его называют макрополем − мы будем понимать пространственно усредненное микрополе (после пространственного усреднения временное усреднение уже не требуется). Это усреднение проводится по так называемому физически бесконечно малому объему − объему, содержащему большое число атомов, но имеющему размеры во много раз меньше, чем те расстояния, на которых макрополе меняется заметно. Итак, поле в веществе

Е = Е_макро = Е_микро.

Влияние вещества на поле. При внесении любого вещества в электрическое поле в веществе происходит смещение положительных и отрицательных зарядов (ядер и электронов), что в свою очередь приводит к частичному разделению этих зарядов. В тех или иных местах вещества появляются не скомпенсированные заряды различного знака. Это явление называют электростатической индукцией, а появившиеся в результате разделения заряды − индуцированными зарядами.

Индуцированные заряды создают дополнительное электрическое поле, которое вместе с исходным (внешним) электрическим полем образует результирующее поле. Зная внешнее поле и распределение индуцированных зарядов, при нахождении результирующего поля можно уже не обращать внимания на наличие самого вещества, − его роль уже учтена с помощью индуцированных зарядов.

Таким образом, результирующее поле при наличии вещества определяется просто как суперпозиция внешнего поля и поля индуцированных зарядов. Однако во многих случаях дело усложняется тем, что мы заранее не знаем, как распределяются в пространстве все эти заряды, задача оказывается далеко не такой простой, как могло бы показаться вначале. Распределение индуцированных зарядов в решающей степени зависит от свойств самого вещества − от его физической природы и формы тел.

Проводники и диэлектрики. Диэлектриками (изоляторами) называются вещества, которые при обычных условиях практически не проводят электрический ток.

Согласно представлениям классической физики, в диэлектриках в отличие от проводников нет свободных носителей заряда заряженных частиц, которые могли бы прийти под действием электрического поля в упорядоченное движение и образовать электрический ток проводимости. К диэлектрикам относятся все не ионизированные газы; некоторые жидкости (дистиллированная вода, бензол, нефтяные, синтетические и растительные масла и др.) и твердые тела (стекло, фарфор, слюда, поливинилхлорид и др.). Удельное электрическое сопротивление диэлектриков  ~ 10⁶...10¹⁵ Ом∙м., тогда как у металлов (проводников)  ~ 10⁻⁸...10⁻⁶ Ом∙м.

Все молекулы диэлектрика электрически нейтральны: суммарный заряд электронов и атомных ядер, входящих в состав молекулы, равен нулю. Тем не менее, молекулы обладают электрическими свойствами. Существует два вида диэлектриков: полярные и неполярные. Они различаются строением молекул.

Полярные состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают; неполярные состоят из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Рассмотрим атом водорода. Положительный заряд его ядра, сосредоточен в центре атома. Электрон движется в атоме с большой скоростью около 10⁶ м/с. Один оборот вокруг ядра он делает за очень малое время, порядка 10⁻¹⁵ с.

Поэтому уже за 10⁻⁹ с он успевает совершить миллион оборотов и, следовательно, миллион раз побывает в любых двух точках 1 и 2, расположенных симметрично относительно ядра. Это дает основание считать, что даже за очень малый промежуток времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т. е. совпадает с положительно заряженным ядром.

Однако так обстоит дело не всегда. Рассмотрим молекулу поваренной соли NaCl. Атом натрия имеет во внешней оболочке один валентный электрон, слабо связанный с атомом. У хлора семь валентных электронов. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков. Положительный и отрицательный заряды не распределены теперь симметрично по объему молекулы: центр распределения положительного заряда приходится на ион натрия, а отрицательного − на ион хлора.

К полярным диэлектрикам относятся спирты, вода и другие вещества; к неполярным − инертные газы, кислород, водород, бензол, полиэтилен и др.

В металлических проводниках имеются свободные носители заряда электроны проводимости (свободные электроны), которые могут под действием электрического поля перемещаться по всему проводнику. Они возникают при кристаллизации − фазовом переходе металла из жидкого состояния в твердое. При этом происходит обобществление части валентных электронов, которые отделяются от «своих» атомов и образуют электронный газ в металле. Атомы при этом становятся положительно заряженными ионами, которые занимают место в узлах кристаллической решетки.

Электрические свойства проводников в условиях электростатики определяются поведением электронов проводимости во внешнем электростатическом поле. В отсутствие внешнего поля электрические поля электронов проводимости и положительных ионов металла − взаимно компенсируются. Если металлический проводник внесен во внешнее электростатическое поле, то под действием этого поля электроны проводимости перераспределяются в проводнике таким образом, чтобы в любой точке внутри проводника электрическое поле электронов проводимости и положительных ионов скомпенсировало бы внешнее поле.