2. Электростатическое поле в веществе

2.1. Проводники в электростатическом поле

По электропроводности, то есть способности проводить электрический ток, все вещества делятся на проводники, диэлектрики (изоляторы), полупроводники.

Проводником называется вещество, проводящее электрический ток и содержащее большое количество свободных зарядов (например, электроны проводимости в металлическом проводнике), которые способны перемещаться по объему проводника.

Под действием внешнего электростатического поля Е_внеш свободные электроны в металлическом проводнике смещаются, что приводит к образованию избытка отрицательного заряда - электронов на одной стороне проводника, а на другой – избытка положительного заряда (рис. 8).

Рис. 8

В результате смещения свободных электронов внутри металлического проводника возникает внутреннее электрическое поле Е_внут (поле смещенных зарядов), направленное навстречу внешнему полю и уравновешивающее его таким образом, что напряженность результирующего поля в любой точке внутри проводника равна нулю (Е = Е_внеш + Е_внут = 0). В электростатике рассматривается состояние, в котором заряды пришли в равновесие (то есть отсутствует направленное движение зарядов – электрический ток). Это значит, что всюду в объеме проводника после установления равновесия напряженность поля Е = q / (4 r²) должна быть равна нулю, так как заряд внутри проводника отсутствует (q = 0). Внутренняя полость в замкнутом проводнике экранируется от внешних электростатических полей. На этом основана электростатическая защита.

Из вышеизложенного следует:

• В целом нейтральный сплошной или полый проводник одинаково разрывает силовые линии внешнего электрического поля.

• Во внешнем поле наблюдается явление электростатической индукции (электризация незаряженного проводника, заключающаяся в разделении положительных и отрицательных зарядов) и появляются статические индуцированные заряды (смещенные заряды) на поверхности проводника, которые исчезают при удалении проводника из электростатического поля.

• Потенциал всех точек проводника имеет одинаковое значение, которое называют потенциалом проводника. Разность потенциалов между любыми точками проводника равна нулю.

• В заряженном проводнике нескомпенсированные электрические заряды располагаются только на его поверхности. Поверхность и объем проводника являются эквипотенциальными. Проводник представляет собой замкнутую эквипотенциальную область:

Е = -grad φ = 0 => (dφ / dl) = 0 => φ = const.

• Во всех точках поверхности проводника нормальная составляющая вектора напряженности результирующего поля Е = Е_n ≠ 0, а тангенциальная составляющая Е_τ = 0.

• Плотность заряда на поверхности проводника зависит от величины и направления кривизны поверхности:

- на выпуклых поверхностях (положительная кривизна) – растет;

- на вогнутых поверхностях (отрицательная кривизна) – убывает.

• Пусть поверхностная плотность заряда проводника равна σ = q / S, где q – индуцированный заряд на поверхности проводника, S - площадь поверхности проводника. С помощью теоремы Остроградского – Гаусса можно рассчитать величину напряженности Е электростатического поля вблизи поверхности проводника:

Ф_Е = E_n dS = E_n ∙ S = E ∙ S = => Е = .