Проводник в электростатическом поле. Поле внутри проводника и у его поверхности. Распределение зарядов на поверхности проводника.
Проводниками называют материалы, имеющие так называемые свободные заряды, которые могут перемещаться в объеме проводника под действием сколь угодно малого внешнего электрического поля.
При помещении проводников во внешнее электрическое поле, свободные заряды начинают перемещаться в этом поле, если в объем проводника был дополнительно внесен некоторый заряд, то под действием этого внешнего поля, этот дополнительный заряд распределиться по поверхности проводника.
Таким образом, при электризации проводника сообщенный ему дополнительный заряд оказывается, распределен в области поверхности проводника. Это распределение заряда будет происходить до тех пор, пока при распределении заряда потенциал поля в любой точке проводника не станет одинаковым.
В любой точке внутри проводника напряженность электрического поля равна нулю. Действительно, при невыполнении этого условия свободные заряды в проводнике под действием сил поля пришли бы в движение, и равновесие было бы нарушено.
Вектор напряженности электростатического поля в любой точке снаружи проводника вблизи его поверхности направлен перпендикулярно поверхности, что другими словами можно сказать так: силовые линии поля входят в проводник и выходят из него под прямым углом к поверхности проводника. В противном случае существовала бы составляющая вектора напряженности поля вдоль поверхности проводника, на свободные заряды на поверхности проводника действовала бы сила, имеющая составляющую вдоль поверхности. В результате этого по поверхности проводника стали бы двигаться заряды, что нарушило бы равновесие.
Отношение заряда к площади, которую он занимает, определяет количество электричества, приходящееся на единицу поверхности в исследуемом месте. Эту величину называют поверхностной плотностью заряда в данном месте.
Электроемкость уединенного проводника. Взаимная электроемкость двух проводников. Конденсаторы.
Электроемкость характеризует способность проводников или системы из нескольких проводников накапливать электрические заряды, а следовательно, и электроэнергию, которая в дальнейшем может быть использована, например, при фотосъемке (вспышка) и т.д.
Различают электроемкость уединенного проводника, системы проводников (в частности, конденсаторов).
Уединенным называется проводник, расположенный вдали от других заряженных и незаряженных тел так, что они не оказывают на этот проводник никакого влияния.
Электроемкость уединенного проводника — физическая величина, равная отношению электрического заряда уединенного проводника к его потенциалу
В СИ единицей электроемкости является фарад (Ф).
1 Ф — это электроемкость такого проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда в 1 Кл. Поскольку 1 Ф очень большая единица емкости, применяют дольные единицы: 1 пФ (пикофарад) = 10-12 Ф, 1 нФ (нанофарад) = 10-9 Ф, 1 мкФ (микрофарад) = 10-6 Ф и т.д.
Электроемкость проводника не зависит от рода вещества и заряда, но зависит от его формы и размеров, а также от наличия вблизи других проводников или диэлектриков. Действительно, приблизим к заряженному шару, соединенному с электрометром, незаряженную палочку (рис. 1). Он покажет уменьшение потенциала шара. Заряд q шара не изменился, следовательно, увеличилась емкость. Это объясняется тем, что все проводники, расположенные вблизи заряженного проводника, электризуются через влияние в поле его заряда и более близкие к нему индуцированные заряды противоположного знака ослабляют поле заряда q.
Рис. 1
Если уединенным проводником является заряженная сфера, то потенциал поля на ее поверхности
где R — радиус
сферы,
—
диэлектрическая проницаемость среды,
в которой находится проводник. Тогда
- электроемкость уединенного сферического проводника.
Обычно на практике
имеют дело с двумя и более проводниками.
Рассмотрим систему из двух разноименно
заряженных проводников с разностью
потенциалов
между
ними. Чтобы увеличить разность потенциалов
между этими проводниками, необходимо
совершить работу против сил
электростатического поля и перенести
добавочный отрицательный заряд -q с
положительно заряженного проводника
на отрицательно заряженный (или заряд
+q с отрицательно заряженного проводника
на положительно заряженный). При этом
увеличивается абсолютное значение
обоих зарядов: как положительного, так
и отрицательного. Поэтому взаимной
электроемкостью двух проводников
называют физическую величину, численно
равную заряду, который нужно перенести
с одного проводника на другой, для того
чтобы изменить разность потенциалов
между ними на 1 В:
Взаимная электроемкость зависит от формы и размеров проводников, от их взаимного расположения и относительной диэлектрической проницаемости среды, заполняющей пространство между ними.