11.4 Умови рівноваги зарядів у провіднику. Потенціал провідника. Поле поблизу поверхні провідника. Розподіл зарядів по поверхні провідника. Електростатичний захист.

Провідники в електричному полі (явище)

Визначення. Провідники - це речовини, які проводять електричний струм. Найчастіше як провідники використовують метали.

1. Приклади застосування явища. Явище використовують для захисту чутливих до електричних полів пристроїв. Щоб захистити прилади від електричних полів, їх поміщають всередину замкнутих металевих ящиків - екранів. Частіше екранують не найчутливіший для електричних полів прилад, а джерело електричного поля (рисунок 11.8, 11.9).

2 . Визначення явища. При рівновазі зарядів ні в якому місці усередині провідника не може бути надлишкових зарядів – усі вони розподілені по поверхні провідника з деякою густиною σ.

3. Умови протікання явища.

Умови рівноваги зарядів у провіднику. Потенціал провідника.

Рівновага зарядів на провіднику спостерігається при виконанні двох умов:

1. Усередині провідника поле повинно бути відсутнє. E=0

Т обто потенціал усередині провідника повинен бути постійним.

2. Напруженість поля на поверхні провідника направлена вздовж нормалі до поверхні. – на поверхні провідника.

Отже, поверхня провідника при рівновазі зарядів є еквіпотенціальною.

4. Математичне опис явища.

; Е₁-Е₂=0. (Рисунок 11.10)

5. Пояснення явища. Явище пояснюється будовою провідника. У металах валентні електрони поводяться як молекули газу. Тобто рухаються хаотично, й зі збільшенням температури швидкість їх руху зростає. Ядра провідника коливаються у вузлах кристалічної решітки металу. Якщо провідник не заряджений, то сумарний заряд усіх вільних електронів у провіднику дорівнює сумарному заряду всіх іонів металу.

При внесенні провідника в електричне поле (Рисунок 11.10) електрони рухаються проти напрямку силових ліній електричного поля, утворюючи на кінцях провідника позитивні і негативні заряди. Цей рух електронів буде тривати доти, доки електричне поле, утворене зарядами на краях провідника (Е₂), повністю не компенсує зовнішнє поле (Е₁).

Якщо величину зовнішнього поля збільшити, більше електронів переміститься на край провідника, і внутрішнє поле знову компенсує зовнішнє. Таким чином, усередині провідника, який знаходиться в електростатичному полі, напруженість завжди дорівнює нулю. Це явище називають електростатичною індукцією або електризацією через вплив.

Визначення. Електростатичною індукцією називають явище перерозподілу електричних зарядів усередині провідника при внесенні його в електростатичне поле.

Розглянемо інший випадок. Нехай маємо негативно заряджену кулю (рисунок 11.11). Тобто куля має надлишок електронів. У результаті дії електричних сил надлишкові електрони розмістяться на зовнішній поверхні кулі. Геометрична сума напруженостей, отриманих від надлишкових електронів, у будь-якій точці провідника дорівнює нулю.

Г устина заряду на поверхні провідника визначається кривизною поверхні r=1/R, де R – радіус кривизни. Густина заряду зростає зі збільшенням позитивної кривизни поверхні (опуклості) і зменшується при збільшенні негативної кривизни (вгнутості). У результаті цього явища на гострих виступах зарядженого провідника накопичується найбільша кількість зарядів (це можна перевірити дослідним шляхом). Тому напруженість електричного поля біля вістря найбільша, і вона настільки велика, що в навколишньому повітрі починається іонізація молекул, і з’являться вільні електрони, позитивні і негативні іони. Іони однакового заряду з вістрям будуть відштовхуватися від вістря, утворюючи течію повітря. Іони, протилежного з вістрям заряду, будуть притягатися до вістря, зменшуючи його заряд. Кажуть, заряд стікає із загострених предметів. Щоб позбутися стікання заряду, предмети, на яких накопичуються великі заряди, заокруглюють.