электростатическое поле вблизи поверхности проводника

Проводники в электростатическом поле Электростатическое поле внутри проводника и вблизи его поверхности

Проводниками называются вещества, хорошо проводящие электрический ток, т. е. обладающие высокой электропроводностью (низким удельным сопротивлением р). Электропроводность проводников много больше, чем диэлектриков. Так, удельное электрическое сопротивление р диэлектриков составляет

Различие в электропроводности проводников и диэлектриков объясняется тем, что в проводниках, в отличие от диэлектриков, есть свободные носители электрического заряда (свободные электроны). Свободные электроны под действием кулоновских сил электрического поля двигаются упорядоченно по всему проводнику и создают электрический ток. Проводниками являются металлы, электролиты, сильно ионизированные газы.

Диэлектрики практически не проводят электрический ток, так как в них нет свободных электрических зарядов. В молекулах диэлектриков положительные электрические заряды связаны с отрицательными электрическими зарядами. Электрические заряды в диэлектрике под действием внешнего электрического поля совершают лишь микроскопические смещения в пределах молекулы.

Рассмотрим твёрдые металлические проводники, имеющие кристаллическую структуру, используя физическую модель металла: в узлах кристаллической решетки расположены

положительные ионы металла, а между ними хаотически перемещаются свободные электроны (рис 107). В металлах концентрация свободных электронов составляет

758

действием кулоновских сил начнут упорядоченно перемещаться по проводнику в направлении противоположном вектору напряженности /. внешнего электростатического поля. В результате

электроны за доли секунды накапливаются на левой стороне проводника, она заряжается отрицательно. Здесь создается избыточный отрицательный электрический заряд. На правой стороне проводника возникает недостаток электронов, что проявляется, как избыточный положительный электрический заряд. Правая часть проводника заряжается положительно (рис. 108).

электростатического поля внутри проводника равна 759

Так как вектор напряжённости Е направлен противоположно вектору напряженности, то модуль вектора напряжённости Е равен

760

Электроны перемещаются в проводнике до тех пор, пока не установится равновесное распределение электрических зарядов, при котором напряженность результирующего электростатического поля внутри проводника будет равна нулю, т. е.

отсюда 761

Процесс разделения положительных и отрицательных

электрических зарядов в проводнике под действием

электростатического внешнего поля называется электростатической индукцией. Если проводник удалить из электростатического поля, то индуцированные электрические заряды исчезают. Напряжённость Е электростатического поля внутри проводника равна нулю.

Итак, когда проводник находится в электростатическом поле, выполняются следующие условия.

1. Напряжённость электростатического поля внутри проводника при равновесии электрических зарядов на поверхности проводника всегда равна нулю (рис. 109). Потенциал во всех точках внутри проводника постоянен. В электростатическом поле поверхность проводника является эквипотенциальной. Если бы внутри проводника существовало макроскопическое электростатическое поле, то кулоновские силы привели бы в движение свободные электроны, и в проводнике возник электрический ток.

762

Следовательно, если нейтральный (незаряженный) проводник поместить во внешнее электростатическое поле, то электрические заряды в проводнике перераспределяются так, что созданное ими электростатическое поле внутри проводника полностью компенсирует внешнее электростатическое поле.

2. Все индуцированные электрические заряды в условиях электростатического равновесия распределяются только по внешней поверхности проводника в бесконечно тонком слое (толщиной

отсюда 763

При электростатическом равновесии внутри проводника нет электрических зарядов. Они все находятся на его поверхности.

Если линии напряженности Е0 наклонены к поверхности про

водника под углом, отличным ‘L, то силу Кулона, действующую на

764

Электрические заряды в проводнике находятся в равновесии, когда напряженность внешнего поля Ео у его поверхности равна нормальной составляющей Е„ (Ё0 = Ё0 ). Касательная составляющая

силы Кулона ЁГ вызвала бы перемещение электрического заряда по

поверхности, и возник бы поверхностный электрический ток. Тогда не было бы статического распределения электрического заряда.

Отсюда, можно сделать вывод, что во всех точках поверхности проводника касательная к поверхности составляющая вектора напряженности ео равна нулю. Вектор напряженности Е0 внешнего

электростатического поля направлен по нормали к поверхности проводника в любой его точке 765

4. Потенциал проводника во всем его объеме и на поверхности имеет одинаковое значение. Поверхность проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной, что следует из формулы, связывающей напряженность Е электростатического поля с потенциалом ср 766

Так как внутри проводника напряжённость Е равна нулю (Е = 0), то

767

отсюда, внутри проводника

Запишем формулу для напряжённости Е

Источник

Мой конспект — конспекты, шпаргалки, лекции

Наши партнеры

Электростатические свойства проводников

Свойство 1. Напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю.

Поместим проводник в электростатическое поле. Под действием электрических сил движение свободных электронов станет направленным. Определенный участок на поверхности проводника приобретает отрицательный заряд, а противоположная — положительного.

Таким образом, на поверхности проводника появляются приведены (индуцированные) электрические заряды, при этом суммарный заряд проводника остается неизменным. Описанное явление называется электростатической индукцией.

? Электростатическая индукция — это явление перераспределения электрических зарядов в проводнике, помещенном в электростатическое поле, в результате чего на поверхности проводника возникают электрические заряды.

Индуцированные заряды, возникающие создают свое электрическое поле напряженностью ‘, направлено в сторону, противоположную напряженности 0 внешнего поля. Процесс перераспределения зарядов в проводнике будет продолжаться до тех пор, пока создаваемое индуцированными зарядами поле внутри проводника полностью компенсирует внешнее поле. Напряженность = 0 + ‘ результирующего поля внутри проводника равна нулю.

Свойство 2. Поверхность проводника является эквипотенциальной.

Это утверждение является следствием соотношения между напряженностью поля и разностью потенциалов:

Если напряженность поля внутри проводника равна нулю, то разность потенциалов также равна нулю, поэтому потенциалы во всех точках проводника одинаковы, т.е. поверхность проводника является эквипотенциальной.

Свойство 3. Весь статический заряд проводника сконцентрирован на его поверхности.

Это свойство является следствием закона Кулона и свойства одноименных зарядов отталкиваться.

Свойство 4. Вектор напряженности электростатического поля проводника направлен перпендикулярно к его поверхности.

Предположим, что в некоторой точке поверхности проводника вектор напряженности электростатического поля направлен под углом к поверхности проводника. Разложим этот вектор на две составляющие: нормальная n, перпендикулярная к поверхности, и тангенциальная, направлена по касательной к поверхности.

Под действием электроны направлено двигаться по поверхности, но это не означает, что по поверхности проводника протекает ток, а это, в свою очередь, противоречит електростатичности. Следовательно, в случае равновесия зарядов = 0, а = n.

Свойство 5. Электрические заряды распределяются на поверхности проводника так, что напряженность электростатического поля проводника оказывается больше на выступлениях проводника и меньше на его впадинах.

Рассмотрим проводник неправильной формы. Любое заряженное тело на больших расстояниях от него можно считать точечным зарядом, эквипотенциальные поверхности которого имеют вид концентрических сфер. Таким образом, по мере удаления от проводника эквипотенциальные поверхности вблизи проводника, повторяющие форму его поверхности, должны постепенно и плавно приобретать вид сферы. Но это возможно только в том случае, если эквипотенциальные поверхности будут сгущенные у выступлений проводника и разреженные у впадин.

Там, где эквипотенциальные поверхности расположены гуще, напряженность поля, перпендикулярная к поверхности проводника, больше, а там, где расположены реже, — напряженность поля меньше.

Источник

Adblock
detector