ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Проводники в электростатическом поле

Свободные заряды

В отношении электрических свойств тела делятся на провод­ники и диэлектрики (изоляторы). В проводниках, к которым в первую очередь относятся все металлы, имеются заряженные частицы, которые способны перемещаться внутри проводника под действием электрического поля. По этой причине заряды этих частиц называют свободными зарядами.

Диэлектрики состоят из нейтральных в целом атомов или молекул. Электрически заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут, по­добно свободным зарядам проводника, пе­ремещаться под действием поля по всему объему тела.

В металлах носителями свободных за­рядов являются электроны. При образовании металла из нейт­ральных атомов атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому взаимодействию электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со «своими» ато­мами и становятся «собственностью» всего проводника в це­лом. В результате положительно заряженные ионы оказыва­ются окруженными отрицательно заряженным «газом», обра­зованным коллективизированными электронами (рис. 1.48). Этот газ заполняет промежутки между ионами и стягивает их кулоновскими силами. Свободные электроны участвуют в теп­ловом движении, подобно молекулам газа, и могут переме­щаться по куску металла в любом направлении.

Электрическое поле внутри проводника

Если электрические заряды неподвижны (случай электро­статики), то электрического поля внутри проводника нет. Не­трудно понять почему. В проводнике есть свободные заряды. Поэтому если бы напряженность электрического поля была от­лична от нуля, то поле приводило бы эти заряды в упорядочен­ное движение, т. е. в проводнике существовал бы электриче­ский ток. Раз тока нет, то нет и поля. Утверждение об отсутст­вии электрического поля внутри проводника в равной мере справедливо как для заряженного проводника, так и для неза­ряженного, помещенного во внешнее электрическое поле. Нуж­но только иметь в виду, что речь идет о среднем значе­нии напряженности поля. Отдельные заряженные частицы — электроны и ионы — создают микроскопические поля. Но эти поля внутри проводника в среднем компенсируют друг друга.

Механизм, приводящий к уничтожению электростатиче­ского поля в проводнике, состоит в следующем. Внесем в электрическое поле проводящий шар. В первый момент воз­никнет электрический ток, так как поле внутри шара вызывает перемещение электронов справа налево (рис. 1.49). Левая часть шара заряжается отрицательно, а правая — положи­тельно. В этом состоит явление электростатической индукции. Появившиеся на поверхности проводника за­ряды создают свое поле, которое накладывается на внешнее поле и компенсирует его (рис. 1.50). (Силовые линии электри­ческого поля этих зарядов показаны на рисунке штриховыми линиями.) За ничтожно малое время заряды перераспределят­ся так, что напряженность результирующего поля внутри ша­ра становится равной нулю и движение зарядов прекращает­ся. В противном случае в проводнике все время протекал бы ток и выделялась теплота. Но, согласно закону сохранения энергии, это невозможно. Если разделить шар пополам вдоль линии MN, то обе половины окажутся заряженными.

И так, электростатического поля внутри проводника нет. На этом свойстве основана так называемая электростатиче­ская защита. Чтобы защитить чувствительные к электриче­скому полю приборы, их заключают в металлические ящики.

Силовые линии электростатического поля вне проводника перпендикулярны его поверхности (см. рис. 1.50). Если бы это было не так, то имелась бы составляющая напряженности по­ля вдоль поверхности проводника и по поверхности протекал бы электрический ток.

Электрический заряд проводника

В случае равновесия зарядов не только поле внутри провод­ника равно нулю, равен нулю и заряд. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. За­ряд внутри этой поверхности равен нулю, это подтверждается теоремой , которая называется теорема Гаусса.

Подчеркнем, что весь заряд сосредото­чен на поверхности проводника только благодаря тому, что напряженность поля убывает по мере удаления от заряда как . При любой другой зависимости напряженности от расстояния теорема Гаусса не выполнялась бы и заряд внутри проводни­ка был бы отличен от нуля.

Объяснить скапливание заряда на по­верхности проводника одним отталкиванием одноименных зарядов нельзя. Первым это понял Г. Ка­вендиш. Он фактически за 14 лет до Кулона и более точно ус­тановил закон взаимодействия электрических зарядов. Но своих работ по электричеству Кавендиш не публиковал. Око­ло ста лет рукописи находились в архиве семьи Кавендиша, пока не были переданы для печати Максвеллу. Произошло это через много лет после того, как закон взаимодействия зарядов был установлен Кулоном.

Кавендиш экспериментально доказал, что заряд проводни­ка целиком распределяется на его поверхности. Для этого он поместил заряженный проводящий шар на изолирующей под­ставке внутрь сферы, образованной двумя металлическими полусферами, плотно соединенными друг с другом. В одной из полусфер было сделано маленькое отверстие, через которое можно было соединить заряженный шар и полусферы метал­лической проволокой (рис. 1.51). После соединения шара и полусфер проволокой полусферы раздвигались и измерялся заряд шара. Он оказался равным нулю. Кавендиш понял, что это означает уменьшение сил взаимодействия между электри­ческими зарядами обратно пропорционально квадрату рас­стояния между ними.