Т. Проводники

Проводники в электрическом поле

Проводниками называются вещества, в которых имеется значительное число свободных зарядов, т.е. таких зарядов, которые могут без затраты энергии перемещаться по всему проводнику. Это металлы, электролиты и ионизированные газы. В металлах свободными зарядами являются электроны, которые перемещаются между узлами кристаллической решетки, образованной ионами металла. Эти свободные электроны образуют так называемый электронный газ. Они участвуют в тепловом движении подобно молекулам газа и могут перемещаться по всему объему металла. Внутри заряженных проводников отсутствует электростатическое поле, так как в противном случае свободные заряды двигались бы под действием сил этого поля.

Отсутствие электростатического поля внутри проводника приводит к тому, что нескомпенсированные заряды могут размещаться только на его поверхности.

Поместим незаряженный проводник в однородное электростатическое поле. Под действием сил поля свободные электроны в проводнике будут перемещаться в направлении, противоположном внешнему полю, и накапливаться на поверхностях проводника, создавая электростатическое поле \(~\vec E_{sob}\), направленное навстречу внешнему полю. Перемещение электронов будет происходить до тех пор, пока внешнее электростатическое поле не скомпенсируется полем, возникающим внутри проводника (рис. 1).

Рис. 1

В результате напряженность поля \(~\vec E_{res}\) внутри проводника будет равна нулю:

\(~\vec E_{res} = \vec E_{sob} + \vec E_{vnesh},\) \(~E_{res} = E_{sob} - \vec E_{vnesh} = 0.\)

Электризацию проводника во внешнем электростатическом поле разделением уже имеющихся в нем в равных количествах положительных и отрицательных зарядов называют явлением электростатической индукции, а сами перераспределенные заряды — индуцированными. Это явление можно использовать для электризации незаряженных проводников.

Рис. 2

Поместим на два одинаковых электрометра вместо шариков два одинаковых металлических цилиндра А и В (рис. 2) и приведем их основания в соприкосновение. Заземлим корпуса обоих электрометров. Поднесем к проводнику В, не касаясь его, положительно заряженный шарик С. Стрелки обоих электрометров отклоняются на один и тот же угол. Уберем шарик С, стрелки покажут "0". Поле отсутствует, заряды опять распределяются равномерно. Проведем другой опыт, аналогичный первому опыту, но теперь цилиндры разделим в присутствии шарика С, а затем уже уберем и сам шарик С. В этом случае стрелки электрометров уже не будут на нуле. С помощью положительно заряженной стеклянной палочки можно доказать, что цилиндр А заряжен положительно, а цилиндр В — отрицательно. Такой способ электризации тел называется электризацией через влияние. Приведем теперь цилиндры в соприкосновение, заряды нейтрализуются, стрелки электрометров опять на нуле.

Незаряженный проводник можно наэлектризовать путем соприкосновения с другим заряженным проводником.

Для того чтобы передать проводнику В весь заряд проводника А, нужно заряженный проводник А внести внутрь проводника В (рис. 3, а) и затем коснуться им внутренней стенки проводника В (рис. 3, б).

Рис. 3

Каким бы способом ни был заряжен проводник, внутри него поле отсутствует. Это позволяет использовать заземленные полые проводники со сплошными или сетчатыми стенками для электростатической защиты от внешних электростатических полей. Так, например, электрометр помещают в металлический футляр для того, чтобы индуцированные на нем внешними электрическими полями заряды не искажали его показаний. Для защиты военных складов, служащих для хранения взрывчатых веществ, от удара молнии их окружают заземленной проволочной сетью.

Как было отмечено выше, заряды распределяются только на поверхности проводника. Поверхностная плотность распределения зависит от кривизны поверхности и больше там, где кривизна поверхности больше. С помощью электрометра и маленького шарика С (рис. 4) можно показать, что заряды распределены на поверхности шара Μ равномерно (стрелка электрометра все время отклонена на одно и то же число делений).

Рис. 4

Таким же способом можно убедиться, что внутри проводника поле отсутствует.

В различных точках поверхности цилиндрического проводника с коническим выступом на одном основании и такой же впадиной на другом напряженность поля и поверхностная плотность заряда σ неодинаковы. Это можно показать с помощью одинаковых бумажных электроскопов, прикрепленных к разным точкам проводника. Угол расхождения листочков пропорционален поверхностной плотности заряда (σ) в той части проводника, с которой соприкасается электроскоп. Максимальное значение плотности заряда σ на острие, меньшее — на боковой поверхности и минимальное (равное нулю) — во впадине. Таким образом, чем больше кривизна поверхности проводника, тем большие значения имеют поверхностная плотность заряда и напряженность поля (рис. 5).

Рис. 5

Напряженность электростатического поля около острия заряженного проводника может быть столь большой, что вызывает ионизацию молекул воздуха. Ионы, заряженные одноименно с острием, отталкиваются от него, образуя так называемый электрический ветер, способный отклонить пламя свечи. Ионы противоположного знака притягиваются к проводнику, быстро разряжая его.

Если электрометр заземлить, то он будет измерять потенциал проводника относительно Земли. С помощью такого электрометра можно показать, что потенциал во всех точках поверхности проводника любой формы одинаков. А так как внутри проводника Е = 0, то на основании формулы \(~E = \frac{\varphi_1 - \varphi_2}{d}\) можно утверждать, что и во всех точках внутри проводника φ = const.

Таким образом, опыты показывают, что:

1. индуцированные заряды, как и избыточные, распределяются на поверхности проводника;
2. плотность распределения этих зарядов зависит от кривизны поверхности и больше там, где кривизна поверхности больше;
3. напряженность поля внутри проводника равна нулю;
4. потенциал поля во всех точках проводника одинаков и равен потенциалу на его поверхности;
5. индуцированные заряды можно разделить.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 233-236.