Проводники в электростатическом поле

К проводникам относят вещества, в которых имеются заряженные частицы, способные двигаться упорядочений по всему объему тела под действием электрического поля. Заряды таких частиц называются свободными.

Проводниками являются все металлы, некоторые химические соединения, водные растворы солей, кислот, щелочей, расплавы солей, ионизированные газы. В металлах носителями свободных зарядов являются свободные электроны, называемые электронами проводимости.

Если внести незаряженный металлический проводник в однородное электростатическое поле (рис.), то под действием поля в нем возникнет упорядоченное движение свободных электронов металла в направлении, противоположном направлению напряженности Е_о этого поля. Электроны будут скапливаться на одной стороне проводника, образуя там избыточный отрицательный заряд, а их недостача на другой стороне проводника приведет к образованию там избыточного положительного заряда, т.е. в проводнике произойдет пространственное разделение зарядов. Эти некомпенсированные разноименные заряды появляются на проводнике только под действием внешнего электрического поля, т. е. такие заряды являются индуцированными (наведенными), а в целом проводник по-прежнему остается незаряженным. Такой вид электризации, при котором под действием внешнего электрического поля происходит перераспределение зарядов между частями данного тела, называют электростатической индукцией. Появившиеся вследствие электростатической индукции на противоположных частях проводника нескомпенсированные электрические заряды создают свое собственное электрическое поле, его напряженность Е_с внутри проводника направлена против напряженности Е_о внешнего поля, в которое помещен проводник. По мере разделения зарядов в проводнике и накопления их на противоположных частях проводника напряженность Ее внутреннего поля увеличивается и, наконец, становится равной (по модулю) напряженности Е_о внешнего поля. Это приводит к тому, что напряженность Е результирующего поля внутри проводника становится равной нулю. При этом наступает равновесие зарядов на проводнике. Таким образом, при равновесии зарядов на проводнике весь некомпенсированный заряд находится только на наружной поверхности проводника, а внутри проводника электрическое поле отсутствует. Это явление используют при создании электростатической защиты, сущность которой состоит в том, что для предохранения чувствительных приборов от влияния электрических полей их помещают в металлические заземленные корпуса или сетки.

Таким образом, 1) весь избыточный заряд проводника оказывается на его поверхности, внутри проводника зарядов нет; 2) внутри проводника напряженность электростатического поля равна нулю; 3) поверхность проводника является эквипотенциальной; потенциал всех точек внутри проводника равен потенциалу на его поверхности.

Диэлектрики в электростатическом поле.

Полупроводник — вещество, в котором количество свободных зарядов зависит от внешних условий (температура, напряженность электрического поля). К полупроводникам относят: минералы, оксиды, сульфиды, теллуриды, германий, кремний, селен и др.

Молекулы по структуре распределения в них электрического заряда делят на два вида: полярные и неполярные. В полярных молекулах (таких, как Н₂0, NH₃, S0₂, СО) центры связанных зарядов (ядер, электронных оболочек) находятся на некотором расстоянии друг от друга. Моделью такой электронейтральной молекулы может служить электрический диполь. В неполярных молекулах (таких, как Н₂, N₂, 0₂), имеющих симметричное строение, центры положительных и отрицательных связанных зарядов совпадают.

Диэлектрики, в соответствии со структурой их молекул, делят на два вида: полярные и неполярные. Полярный диэлектрик состоит из полярных молекул, а неполярный — из неполярных. Внутри диэлектрика, помещенного во внешнее электростатическое поле, происходит пространственное перераспределение зарядов.

В полярных диэлектриках электростатическое поле ориентирует хаотически расположенные молекулы, поворачивая их вдоль напряженности внешнего поля (рис.).

В

Поляризация и ориен-

тация неполярных молекул

в электрическом поле

неполярных диэлектриках электростатическое поле сначала поляризует молекулы, растягивая в разные стороны положительные и отрицательные заряды (рис.), а затем поворачивает их оси вдоль напряженности поля.

Поляризация молекулы

Неполярные молекулы

в отсутствие поля

П

Электростатическое поле в диэлектрике.

Поле связанных зарядов, направленное

противоположно напряженности

внешнего электростатического поля,

уменьшает напряженность в  раз

оляризация диэлектрика — процесс ориентации диполей или появление под действием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей. Вследствие этого поле в диэлектрике ослабляется. Уменьшение напряженности электростатического поля в среде по сравнению с вакуумом характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью среды.

Относительная диэлектрическая проницаемость среды — число, показывающее, во сколько раз напряженность электростатического поля в однородном диэлектрике меньше, чем напряженность в вакууме:

Явлением поляризации объясняется притяжение наэлектризованным телом легких кусочков бумаги. В электрическом поле тела электронейтральные кусочки бумаги поляризуются. На поверхности, ближайшей к заряженному телу, появляется противоположный заряд, что приводит к притяжению бумаги к наэлектризованному телу.

Уменьшение напряженности электростатиче­ского поля в диэлектрике приводит к тому, что сила взаимодействия точечных зарядов q₁ и q₂, находящихся в диэлектрике уменьшается в  раз.