Лекция № 16. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Проводники.

Существует ряд веществ, называемых проводниками, в которых имеются заряженные частицы, способные перемещаться по всему объёму проводника под действием сколь угодно слабого электрического поля. В наиболее привычных в быту проводниках – металлах, подвижными носителями являются свободные электроны. Рассмотрим поведение металлических проводников при сообщении им дополнительного электрического заряда и при помещении их во внешнее электростатическое поле.

1) Пусть точке А на рисунке 16.2 сообщён избыточный положительный заряд. Вокруг него возникает электрическое поле точечного заряда. Электроны внутри металлического шара начинают двигаться в направлении противоположном направлению силовых линий электрического поля. В результате величина заряда в точке А постепенно уменьшается. Движение электронов происходит до тех пор, пока напряжённость внутри шара не станет равна нулю, а на поверхности из-за перераспределения электронов появляется положительный заряд. Таким образом, если проводнику сообщить некоторый заряд Q, то нескомпенсированные заряды будут располагаться только на поверхности проводника. На поверхности металлического шара распределение заряда будет равномерным. Отсутствие поля внутри проводника при равновесном распределении электрического заряда означает, что потенциал во всех точках внутри проводника и на его поверхности постоянен, т.е. металлический проводник является эквипотенциальным телом. Докажем это утверждение. Так как силовые линии всегда перпендикулярны поверхности заряженного тела (третье свойство силовых линий), то при перемещении пробного заряда из произвольной точки 1 в точку 2 (рисунок 16.1) по поверхности заряженного тела электрическим полем совершается работа

. (16.1)

Рисунок 16.1

Из выражения (16.1) следует, что потенциал φ₁ = φ₂. Точки 1 и 2 на поверхности проводника – это любые точки, следовательно, все точки на поверхности проводника имеют одинаковый потенциал. Выберем произвольно две точки, одну на поверхности проводника (точка 1), а другую внутри проводника (точка 3). Напряжённость электрического поля внутри проводника равна 0, значит и разность потенциалов  φ= φ₁ = φ₃ =E·d=0 между ними также равна 0, т.е. их потенциал одинаков φ=const.

2) При внесении незаряженного проводника в электрическое поле носители заряда приходят в движение: положительные в направлении вектора Е, отрицательные  в противоположную сторону. В результате у концов проводника возникают заряды противоположного знака, называемые индуцированными зарядами; на рисунке 16.3 пунктиром показаны линии напряженности внешнего поля. Поле этих зарядов внутри проводника направлено противоположно внешнему полю. Таким образом, накапливание зарядов у концов проводника приводит к ослаблению в нём поля. Перераспределение носителей заряда происходит до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника перпендикулярными к его поверхности. Следовательно, нейтральный проводник, внесенный в электрическое поле, разрывает часть линии напряженности  они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных. Явление по перераспределению электрических зарядов на поверхности проводника под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией. При этом полный заряд любой области внутри проводника равен нулю. Явление электростатической индукции на опыте было доказано Фарадеем. Он изготовил проводник, который можно было разделить на две части. После разъединения такого проводника во внешнем поле, обе его части оказались заряженными противоположными по знаку зарядами.

Индуцированные заряды распределяются по внешней поверхности проводника. Если внутри проводника имеется полость, то при равновесном распределении индуцированных зарядов поле внутри нее также обращается в нуль. На этом основывается электростатическая защита. Когда какой-то прибор хотят защитить от воздействия внешних электрических полей, его окружают проводящим футляром (экраном). Внешнее поле компенсируется внутри экрана возникающими на его поверхности индуцированными зарядами. Подобный экран действует хорошо и в том случае, если его сделать не плотным, а в виде густой сетки.

Наличие острия у проводящего тела может приводить не только к стеканию зарядов с него, но и к «натеканию» на проводник зарядов с других тел. Под действием поля, создаваемого заряженным телом 1 (рис. 16.4), на теле 2 возникают индуцированные заряды. Сильное поле, создаваемое вблизи острия находящимся на нем индуцированным зарядом, ионизует молекулы газа. Ионы разных знаков движутся в противоположные стороны и оседают на соответствующих телах. В результате заряд q тела 1 уменьшается, а на проводнике с остриём накапливается заряд, одноименный с зарядом q. Заряд как бы переходит от заряженного тела 1 к первоначально незаряженному телу 2.

Подводя итоги можно сделать следующие выводы: 1) нескомпенсированный заряд всегда находится на поверхности проводника; 2) электрическое поле внутри проводника отсутствует; 3) металлический проводник является эквипотенциальным телом.