электростатическое поле внутри 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

Проводники в электростатическом поле

При внесении проводника в электрическое поле положительные заряды (ядра) и отрицательные (электроны) разделяются. Это явление получило название электростатической индукции. Появляющиеся заряды в результате этого процесса – индуцированные. Они создают дополнительное электрическое поле.

Направление поля таких зарядов – противоположная сторона относительно внешнего. Заряды, которые накапливаются на концах проводника, способны ослаблять внешнее поле. Их перераспределение идет до тех пор, пока не выполняются условия равновесия зарядов для проводников.

Условия равновесного состояния заряда в проводнике

Чтобы заряд на проводнике был в состоянии равновесия, необходимо:

Истечение заряда с острия

При наличии большего расстояния от проводника, чем его размеры, рисунок линий похож на поле точечного заряда. Эквипотенциальные поверхности имеют форму сферы, как и у точечного заряда. Вблизи выступов эквипотенциальные поверхности располагаются гуще, тогда напряженность поля больше. Отсюда следует, что особенно большая плотность заряда наблюдается на выступах. Напряженность поля на острие может быть настолько велика, что возникает ионизация молекул газа, который окружает проводник.

Ионы газа с противоположным знаком заряда (относительно заряда проводника) притягиваются к проводнику, нейтрализуя его заряд. Ионы с одинаковыми знаками отталкиваются от проводника, причем «тянут» за собой нейтральные молекулы газа. Явление получило название электрического ветра.

Уменьшение заряда проводника происходит в процессе нейтрализации, то есть стекание с острия. Это явление называется стечением заряда с острия.

Электрическое смещение поля в однородном изотропном диэлектрике около заряженного проводника равняется:

Запись формулы напряженности приобретает вид:

Примеры решения задач

Описать поведение линий поля при внесении проводника, не обладающего зарядом в электростатическом поле.

Решение

Если внести нейтральный проводник в электрическое поле, то заряды разделяются на отрицательные и положительные – происходит образование индуцированных зарядов. Их перераспределение начинается с момента выполнения условий о равенстве нулю напряженности внутри проводника и перпендикулярности вектора напряженности поля поверхности проводника.

image027

Положительный точечный заряд создает электростатическое поле. В него вносится шар, являющийся проводником. Какими будут эквипотенциальные поверхности и силовые линии результирующего поля?

Решение

При внесении в поле незаряженного проводящего шара, на нем индуцируются заряды, которые распределяются по поверхности шара так, чтобы внутри него поле равнялось нулю, а линии напряженности перпендикулярны к любой точке шара. На рисунке 2 изображены распределения индуцированных зарядов.

image029

Если силовые линии удалять от заданной системы, то по виду они приближаются к радиальным. Эквипотенциальные поверхности результирующего поля становятся сферами.

Решение

image033

Для определения находящегося внутри выделенной поверхности заряда следует использовать формулу:

Далее нужно совершить подстановку E ∆ S = q ε 0 в q = σ · ∆ S и выразить напряженность поля:

Источник

Проводники в электрическом поле.

Проводниками называются тела, по которым электрические заряды перемещаются свободно. К ним в первую очередь относятся металлы. Хорошая проводимость металлов объясняется наличием в них свободных электронов, которые движутся между положительно заряженными ионами решетки. Положительные ионы участия в переносе заряда не принимают.

Электронная природа носителей тока в металлах объясняется следующим образом. Кристаллическая решетка металла состоит из положительно заряженных ионов, расположенных в узлах решетки, и электронов, свободно передвигающихся между узлами. Свободные электроны — это валентные электроны атомов металла, покинувшие свои атомы. Они совершают беспорядочное движение по кристаллу, «не помня», какому атому они принадлежали. Их называют электрон­ным газом. Свободные электроны участвуют в тепловом движении и способны перемещаться под действием электрического поля.

Внутри проводника, помещенного во внешнее электрическое поле, электростатическое поле отсутствует. Объясняется это тем, что под действием внешнего поля свободные электроны, перемещаясь в на­правлении, противоположном внешнему полю 14751055a6c610dc6ff3.79805788, распределяются по поверхности проводника, в результате чего одна часть проводника заряжается отрицательно, противоположная — положительно. Раз­деленные заряды создают внутреннее поле 78880855a6c647458a62.08323866, которое компенсирует внешнее поле 14751055a6c610dc6ff3.79805788, так что суммарное поле внутри проводника рав­но нулю.

6855555a6c68565b4f2.45360871

На этом основана электростатическая защита. Чтобы защитить приборы от влияния электрического поля, их поме­щают в металлический ящик.

Таким разделением заряда объясняется электростатическая ин­дукция. Если пластину металла разрезать по линии MN, обе полови­ны окажутся заряженными.

Линии напряженности электрического поля вне проводника всег­да перпендикулярны поверхности проводника. В противном случае составляющая поля, параллельная поверхности, приводила бы к пос­тоянному перемещению зарядов (электрическому току).

Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверх­ности. В противном случае внутри проводника имелось бы электрическое поле, что не соответствует действительности. Это относится как к заряженным, так и к незаряженным проводникам, помещен­ным в электрическое поле.

Источник

Проводники в электростатическом поле. Поле внутри проводника и у его поверхности. Распределение зарядов в проводнике. Электростатическая защита.

При помещении проводника в электростатическое поле в нем мгновенно устанавливается равновесное распределение свободных электронов. Состояние проводника характеризуется следующими выводами:

1) Напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю, т.е. E = 0. Обоснование: в противном случае наблюдалось бы движение свободных электронов. Или иначе: движение свободных электронов продолжалось бы до тех пор, пока напряженность электростатического поля внутри проводника не стала бы равной нулю.

4) Следовательно, заряд проводника Q всегда располагается на поверхности проводника.

5) Силовые линии внешнего электростатического поля вблизи поверхности проводника направлены перпендикулярно к поверхности, так как поверхность проводника является эквипотенциальной (т.е. во всех точках имеет одинаковый потенциал).

Электростатическая защита — помещение приборов, чувствительных к электрическому полю, внутрь замкнутой проводящей оболочки для экранирования от внешнего электрического поля.

Это явление связано с тем, что на поверхности проводника (заряженного или незаряженного), помещённого во внешнее электрическое поле, заряды перераспределяются так (явление электростатической индукции), что создаваемое ими внутри проводника поле полностью компенсирует внешнее.

Постоянный электрический ток,электростатическое и стороннее поля. Закон Ома в дифференциальной форме. Разность потенциалов, электродвижущая сила и падение напряжения. Обобщенный закон Ома для участка цепи в интегральной форме. График распределения потенциала вдоль участка цепи.

За направление тока выбрано направление движения положительно заряженных частиц.

Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени.

Электростатическое поле — поле, созданное неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрическими зарядами (при отсутствии электрических токов). Электрическое поле представляет собой особый вид материи, связанный с электрическими зарядами и передающий действия зарядов друг на друга.Если в пространстве имеется система заряженных тел, то в каждой точке этого пространства существует силовое электрическое поле. Оно определяется через силу, действующую на пробный точечный заряд, помещённый в это поле. Пробный заряд должен быть ничтожно малым, чтобы не повлиять на характеристику электростатического поля.Электрическое поле называют однородным, если вектор его напряженности одинаков во всех точках поля.

Основные характеристики электростатического поля:напряженность и потенциал.

image107Большинство проводников подчиняется закону Ома.

Экспериментальныйзакон Ома в дифференциальной форме:

где σудельная электропроводность вещества.

Закон Ома справедлив для веществ, в которых концентрация носителей заряда остаётся неизменной.

Источник

Физика. 10 класс

§ 22-1. Проводники в электростатическом поле

Мы уже обсуждали сходство и различие гравитационного и электростатического взаимодействий. Следует отметить ещё одно их существенное различие. От сил тяготения нельзя защититься. Нет такого убежища, в котором бы силы тяготения не действовали. А вот получить надёжную защиту от электростатических сил вполне возможно. Такую защиту может обеспечить любой проводник. Так какие же свойства проводников позволяют использовать их для электростатической защиты?

Проводники в электростатическом поле. В металлах свободными заряженными частицами являются электроны. Это происходит потому, что электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, утрачивают связи со своими атомами и могут относительно свободно передвигаться по всему объёму металла.

Выясним, что происходит в однородном металлическом проводнике, если его внести в электростатическое поле. Для этого поместим металлический проводник А в электростатическое поле, созданное двумя заряженными пластинами В и С ( рис. 118.2 ). Напряжённость этого поля направлена от положительно заряженной пластины В к отрицательно заряженной пластине С. Под действием электрических сил свободные электроны наряду с непрекращающимся тепловым движением начнут двигаться упорядоченно. Они будут накапливаться слева у поверхности проводника А, создавая там избыточный отрицательный заряд. Недостаток электронов на правой стороне проводника приведёт к возникновению на ней избыточного положительного заряда.

Следовательно, электростатическое поле внутри проводника отсутствует. Таким образом, проводник — одна из моделей, используемых в электростатике, описывающая однородное тело, внутри которого напряжённость электростатического поля равна нулю.

Суммарный заряд любой внутренней области проводника равен нулю и не влияет на распределение зарядов на его поверхности и на напряжённость поля внутри проводника. На этом свойстве проводников основана электростатическая защита. Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их помещают внутрь заземлённых полых проводников со сплошными или сетчатыми стенками. Чаще, однако, экранируют не приборы, а сам источник электрического поля, от нежелательного воздействия которого необходимо защитить расположенные поблизости устройства.

На рисунке 118.3 представлено поперечное сечение полой проводящей призмы. Призма заряжена отрицательно. В какой области (областях) — А, В или С — напряжённость электростатического поля не равна нулю?

Следствием того, что напряжённость электростатического поля внутри однородного проводника равна нулю, является то, что потенциал всех точек проводника одинаков. В самом деле, если напряжённость поля равна нулю, то разность потенциалов между любыми двумя точками проводника равна нулю. Поэтому можно оперировать потенциалом проводника, не указывая конкретную точку, в которой он определён.

Источник

Adblock
detector