9.10. Провідники та діелектрики

9.10.1. Провідники.

До провідників електричного струму відносять метали  провідники першого роду та електроліти  провідники другого роду й іонізовані гази. В металах носіями струму є вільні електрони, в електролітах  додатні та від'ємні іони, у іонізованому газі  додатні іони та електрони. Іонами називаються заряджені атоми, які можуть мати надлишок електронів відносно числа протонів або недостачу. У випадку електроліту додатні іони називають аніонами, а від'ємні  катіонами. В цьому розділі з провідників розглянемо лише метали. Метал являє собою кристалічну решітку, створену іонами металу, що міститься в газі вільних електронів. При утворенні кристалічної решітки, орбіти валентних електронів охоплюють сусідні атоми і в силу їх тотожності уже не можна визначити якому атомові належить той чи інший електрон. Це означає, що валентні електрони, в межах кристала, можуть вільно пересуватися по всьому кристалу від одного атома до другого. Саме ця обставина лежить у понятті вільні електрони провідника. Якщо зарядити метал, то електричне поле усередині нього відсутнє. У противному воно було б джерелом направленого руху вільних електронів у провіднику, що буде суперечити закону збереження енергії. Таким чином можна стверджувати, що при внесенні зарядів на провідник, вони будуть розміщуватися тільки на поверхні металу. Розподіл цих зарядів і електричне поле не зміняться, якщо вилучити середину матеріалу провідника. Наприклад, напруженість електростатичного поля у просторі між різнойменно зарядженими металічними нескінченно довгими циліндрами з лінійною густиною заряду  і радіусами r₁ i r₂ визначається лише зарядом внутрішнього циліндра, тобто

,

де . Або електростатичне поле у просторі між двома різнойменно зарядженимиметалічними сферами, що мають спільний центр, заряд q і радіуси , напруженість визначається лише зарядом внутрішньої сфери, тобто

,

де .

Оскільки поле усередині металу відсутнє, то пустотілий металевий провідник, наприклад, металева сітчаста клітка, при роботі спеціалістів із високою напругою, практично повністю екранує зовнішнє електричне поле. Ця властивість провідників використовується для обладнання електростатичного захисту людей при роботі з високовольтними лініями електропередачі та інше.

При внесенні провідника в електричне поле його вільні електрони переміщуються по провіднику назустріч полю, створюючи на зустрічній поверхні металу від'ємний заряд, а на протилежній стороні буде індукуватися додатній заряд іонів кристалічної решітки. Цей процес буде тривати доти, доки поле усередині металу не стане рівним нулю (Е = 0). Виникаючі при цьому на поверхні заряди називаються індукованими або наведеними.

Поверхня зарядженого провідникає еквіпотенціальною, бо у противному різниця потенціалів на поверхні підтримувала б направлений рух зарядів по поверхні провідника без джерела струму, що суперечить закону збереження енергії.

Напруженість поля при поверхні зарядженого провідника. Якщо на провіднику розмістити деякий заряд, то він розподілиться на поверхні провідника з деякою поверхневою густиною . Побудуємо на поверхні провідника замкнену поверхню S у вигляді прямого циліндра висотою h та основою з нормаллюдо основи (див.Мал.82). Вектор напруженості направлений по нормалі зовні провідника (у середині поле відсутнє). За теоремою Остроградського-Гауса, де заряд у середині циліндра. На поверхні основи циліндра і, а на бічній поверхні i . Таким чином інтеграл по замкненій поверхні циліндра має відмінною від нуля складову по поверхні основиS і потік . Прирівнюючи цей вираз доq, одержимо .