Проводники в электрическом поле

Проводниками называются вещества, в которых имеются свободные электрические заряды, способные перемещаться под действием сколь угодно слабого электрического поля. К проводникам относятся металлы, электролиты, ионизованные газы.

Если поместить проводник в электрическое поле, то заряды в проводнике станут перемещаться, положительные по полю, отрицательные - против поля. На одном конце проводника будет скапливаться избыток положительных зарядов, на другом – отрицательных. Это вызовет появление в проводнике собственного поля Е^′, направленного против внешнего. Разделение зарядов в проводнике будет происходить до тех пор, пока собственное поле не станет равным внешнему во всех точках проводника. А, следовательно, суммарное поле будет равно 0: Е = Е₀ - Е = 0 .

Это значит, что все точки проводника имеют одинаковый потенциал: Е = , следовательно, = const. Из постоянства потенциала вдоль поверхности следует, что силовые линии электрического поля в диэлектриках, окружающих проводник, перпендикулярны к поверхности проводника.

Заряды на противоположных краях проводника называются индуктированными или наведенными. Линии суммарного поля будут частично оканчиваться на отрицательных индуктированных зарядах и вновь начинаться на индуктированных положительных. Эквипотенциальные поверхности будут огибать проводник, а одна из них будет пересекаться проводником.

Возникновение индуктированных зарядов на проводнике, помещенном в электрическое поле, используется для зарядки проводников при помощи электростатических индукционных машин. Если отвести заряд одного знака на другой проводник (например, в землю) и отключить второй проводник, то первый проводник окажется заряженным.

Применив теорему Гаусса, получим, что напряженность поля вблизи поверхности проводника Е = , ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник.

Рассмотрим электрическое поле, создаваемое проводником с остриями. На больших расстояниях от проводника эквипотенциальные поверхности имеют форму сферы (как у точечного заряда). По мере приближения к проводнику эквипотенциальные поверхности становятся все более сходными с поверхностью проводника.

Вблизи выступов эквипотенциальные поверхности располагаются гуще, следовательно, напряженность поля здесь больше. А значит и плотность зарядов больше. Особенно большой бывает плотность зарядов на остриях. Поэтому напряженность поля вблизи остриев может быть настолько велика, что возникает ионизация молекул газа, окружающего проводник. Ионы противоположного знака притягиваются к проводнику и нейтрализуют его заряд. Ионы того же знака начинают двигаться от проводника, увлекая с собой и нейтральные молекулы газа. В результате возникает движение газа, называемое «электрическим ветром». Заряд проводника уменьшается, он как бы стекает с острия и уносится ветром. Поэтому это явление и называется истечением заряда с острия.

Отсутствие электрического поля внутри проводника, помещенного в электрическое поле, применяется в технике для электростатической защиты приборов и проводов от внешних электрических полей (экранировка). Подобный экран действует, даже если его сделать не сплошным, а в виде густой сетки.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектриками называются вещества, не проводящие электрический ток. В идеальном диэлектрике нет свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля. Атомы и молекулы диэлектрика содержат равные количества положительных и отрицательных зарядов и в целом электрически нейтральны. Однако под действием электрического поля в диэлектрике происходит смещение зарядов в пределах атома или молекулы. Это явление называется поляризацией диэлектрика. Различают три типа поляризации: электронную, ионную и дипольную.

Диэлектрики с электронной поляризацией

Это вещества, у которых центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов атомов или молекул совпадают. К ним относятся парафин, бензол, азот, водород и т.д. при внесении во внешнее электрическое поле центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются в противоположные стороны на некоторое расстояние. Каждая молекула при этом приобретает дипольный электрический момент, величина которого пропорциональна приложенному внешнему полю. При снятии внешнего поля молекулы возвращаются в исходное состояние и дипольный момент обращается в 0. такие диполи называются упругими.

Диэлектрики с дипольной поляризацией (полярные)

Это вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение. При этом центры тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы не совпадают и молекула, даже в отсутствие внешнего электрического поля представляет собой «жесткий» диполь. К ним относятся вода, нитробензол и т.д.

В отсутствие внешнего поля дипольные моменты отдельных молекул, вследствие теплового движения, ориентированы хаотично в пространстве и диэлектрик в целом дипольным моментом не обладает. При помещении в электрическое поле на каждый диполь будут действовать электрические силы, стремящиеся повернуть его вдоль поля. Ориентации диполей по полю будет препятствовать хаотическое тепловое движение. В результате этих противоположных воздействий среднее значение проекций дипольного момента молекул на направление поля станет не равным нулю. Весь диэлектрик в целом будет обладать дипольным моментом, направленным вдоль внешнего поля. Величина момента пропорциональна напряженности поля и обратно пропорциональна абсолютной температуре.

Диэлектрики с ионной поляризацией

К ним относятся вещества, имеющие ионное строение (NaCl, KCl и т.д.). При внесении их в электрическое поле происходит некоторое смещение положительных ионов кристаллической решетки по полю, отрицательных – против поля. Такой диэлектрик в целом также будет обладать дипольным моментом, направленным вдоль внешнего поля и пропорциональным его величине.