Провідники в електричному полі

Провідники та  діелектрики в електричному полі

Мал. 1 Електростатична індукція

  Речовини, внесені в електричне поле, можуть суттєво змінити його. Це пов’язано з тим, що речовина складається з заряджених частинок. При наявності зовнішнього поля відбувається перерозподіл заряджених частинок, і в речовині виникає власне електричне поле. Повне електричне поле Е складається з зовнішнього поля Е₀ і  внутрішнього поля Е’ яке створюють заряджені частинки речовини.

Загалом речовини різноманітні за своїми електричними властивостями. Найбільш широкими класами  речовин є провідники і діелектрики.

Головна особливість провідників – наявність вільних  зарядів (електронів), які беруть участь в тепловому русі і можуть пересуватися по всьому об’єму провідника під дією електричного поля. Типові провідники – метали.

Якщо відсутнє зовнішнє поле в будь-якому елементі об’єму провідника від’ємний вільний заряд компенсується позитивним зарядом іонної гратки. Якщо провідник, внесли в електричне поле, в ньому відбувається перерозподіл вільних зарядів, внаслідок чого на поверхні провідника виникають нескомпенсовані додатні та від’ємні заряди (мал. 1). Цей процес називають електростатичною індукцією, а заряди , які з’явилися на поверхні провідника – індукційними зарядами.

Повне електростатичне поле всередині провідника дорівнює нулю, а потенціали у всіх точках однакові і рівні потенціалу на поверхні провідника.

Всі внутрішні ділянки провідника, внесеного в електричне поле, залишаються електронейтральними. Якщо видалити деякий об’єм, виділений всередині провідника, і утворити порожнину, то електричне поле всередині порожнини буде дорівнювати нулю. На цьому ґрунтується електростатичний захист – чутливі до електричного поля прилади для виключення впливу електричного поля поміщають в металеві корпуси  (мал. 2 ).

Мал. 2 Електричне поле в середині порожнини дорівнює нулю (електростатичний захист).

Так як поверхня провідника є еквіпотенціальною поверхнею, силові лінії біля поверхні є перпендикулярні до неї (мал.3).

Вивчаючи електричне поле в провідниках необхідно пам’ятати наступне:

1. Електричне поле всередині провідника дорівнює нулю (сумарний від’ємний заряд електронів скомпенсований додатнім зарядом іонів).

2. В середині провідника, що перебуває в зовнішньому електричному полі, поле відсутнє Е = 0:

Е = Е_зовн + Е_індук = 0

3. В середині зарядженого провідника поле дорівнює нулю, а надлишкові заряди розподілені по поверхні (чим менший радіус кривизни поверхні, тим більша поверхнева густина заряду).

4. Силові лінії результуючого поля поблизу поверхні провідника повинні бути напрямлені перпендикулярно поверхні в кожній її точці (оскільки наявність дотичної призводить до руху електронів вздовж поверхні, а таке неможливе, оскільки поверхня провідника – еквіпотенціальна).

 

Мал.3 Електричне поле додатньо зарядженого вістря.

На відміну від провідників, в діелектриках немає вільних електричних зарядів, оскільки діелектрики складаються з нейтральних атомів або молекул. Заряджені частинки в нейтральному атомі зв’язані між собою і не можуть переміщатися під дією електричного поля по всьому об’єму діелектрика. Молекули (диполі) здатні лише обертатися (орієнтуватися), поляризуючись таким чином, щоб послаблювати зовнішнє електричне поле.