§ 43. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Проводя аналогии между гравитационным и электростатическим взаимодействиями, мы находили общие для них свойства. Однако между ними есть и существенные отличия. Одно из них — всепроникаемость гравитационного поля. Действительно, убежище от силы притяжения построить невозможно. А вот от действия сил электростатического поля можно спрятаться достаточно надежно, построив защиту из проводника. Выясним, почему это возможно.

1. Каковы особенности внутреннего строения проводников

Любое вещество состоит из молекул, атомов или ионов, которые, в свою очередь, содержат заряженные частицы. Поэтому, если вещество поместить в электрическое поле, это вызовет в веществе определенные изменения, зависящие от свойств самого вещества. В зависимости от электрических свойств вещества делят на проводники, диэлектрики, полупроводники.

Проводники — это вещества, способные проводить электрический ток. Любой проводник содержит заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри проводника. Типичные представители проводников — металлы. Внутренняя структура металлов представляет собой кристаллическую решетку, образованную положительно заряженными ионами и находящуюся в «газе» свободных электронов. Проводниками также являются электролиты, а при некоторых условиях — и газы. В электролитах свободные заряженные частицы — это положительные и отрицательные ионы, а в газах еще и электроны.

2. Электростатические свойства проводников

Свойство 1. Напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю.

Поместим металлический проводник в электростатическое поле (рис. 43.1). Под действием поля движение свободных электронов станет направленным. Если поле не слишком велико, то электроны не могут оставить проводник и накапливаются в определенной области его поверхности — эта область приобретает отрицательный заряд, а противоположная область — положительный (его создают оставшиеся там положительные ионы). Таким образом, на поверхности проводника появляются наведенные (индуцированные) электрические заряды, при этом суммарный заряд проводника остается неизменным (рис. 43.2).

Рис. 43.1. Внешнее электростатическое поле индуцирует на поверхности проводника заряды противоположных знаков

Рис. 43.2. Если два контактирующих друг с другом металлических цилиндра разъединить при наличии рядом заряженного шара, то каждый цилиндр окажется заряженным

Явление перераспределения электрических зарядов в проводнике, помещенном в электростатическое поле, называют явлением электростатической индукции.

• Почему в данном случае результирующее поле внутри проводника не может не скомпенсироваться?

Свойство 5. Электрические заряды распределяются по поверхности проводника так, что напряженность электростатического поля проводника оказывается больше на выступах проводника и меньше в его впадинах (рис. 43.5).

Рис. 43.5. Напряженность электростатического поля проводника больше на выступах проводника и меньше в его впадинах

3. Как применяют электростатические свойства проводников

Приведем примеры использования рассмотренных электростатических свойств проводников.

Электростатическая защита. Иногда возникает необходимость изолировать приборы от влияния внешних электрических полей. Очевидно, что для этого их необходимо поместить внутрь металлического корпуса, поскольку внешнее электрическое поле вызывает появление индуцированных зарядов только на поверхности проводника, а поле внутри проводника отсутствует (рис. 43.6). Аналогичный эффект достигается, если сплошную проводящую оболочку заменить металлической сеткой с мелкими ячейками.

Рис. 43.6. Электростатическая защита. Под действием внешнего поля на поверхности металлического корпуса возникают индуцированные заряды, поле которых экранирует внешнее электрическое поле: напряженность поля внутри корпуса становится равной нулю

Заземление. Чтобы разрядить небольшое заряженное тело, его необходимо соединить проводником с телом больших размеров: на теле больших размеров накапливается больший электрический заряд. Чтобы обосновать это утверждение, рассмотрим два соединенных проводником проводящих шара радиусами R₁ и R₂, расположенные друг от друга на большом (по сравнению с их радиусами) расстоянии l (рис. 43.7). Электрический заряд Q, переданный системе, распределится между шарами таким образом, что их потенциалы будут равными (φ₁ = φ₂). Расстояние между шарами значительно больше их радиусов, поэтому, рассчитывая потенциалы φ₁ и φ₂ шаров, взаимным влиянием их полей можно пренебречь и воспользоваться формулой для определения потенциала шара:

Рис. 43.7. Заряд Q, переданный системе из двух шаров, соединенных проводником, распределится между шарами так, что их потенциалы φ₁ и φ₂будут равными

Обратите внимание! Если один из заряженных шаров значительно больше другого, после их соединения практически весь заряд окажется на большем шаре. Этот вывод справедлив и для проводящих тел произвольной формы. Так, если коснуться рукой кондуктора заряженного электроскопа, заряд перераспределится между кондуктором и телом человека, а поскольку человек значительно больше кондуктора, почти весь заряд перейдет на человека.

Часто в качестве тела больших размеров используют весь земной шар: приборы, на которых не должен скапливаться электрический заряд, «заземляют» — присоединяют к массивному проводнику, закопанному в землю.

4. Каковы особенности внутреннего строения диэлектриков

Диэлектрики — это вещества, плохо проводящие электрический ток: при обычных условиях в них практически нет зарядов, которые могут свободно передвигаться. Обычно выделяют следующие три группы диэлектриков.

5. Как электростатическое поле влияет на диэлектрик

При поляризации ионных диэлектриков наблюдается ионная поляризация. Под действием внешнего поля ионы разных знаков, составляющие две подрешетки, смещаются в противоположных направлениях, и в результате на гранях кристалла появляются нескомпенсированные связанные заряды, то есть кристалл поляризуется. Следует подчеркнуть, что ионная поляризация в чистом виде не наблюдается, — ее всегда сопровождает электронная поляризация.

6. Как диэлектрик влияет на электростатическое поле

Диэлектрические проницаемости различных веществ могут отличаться в десятки раз. Так, диэлектрическая проницаемость газов близка к единице, жидких и твердых неполярных диэлектриков — к нескольким единицам, полярных диэлектриков — к нескольким десяткам единиц (для воды ε = 81 ). Есть вещества (их называют сегнетоэлектриками), диэлектрическая проницаемость которых составляет значение порядка десятков и сотен тысяч.

• Сформулируйте итоги § 43 самостоятельно. Попробуйте использовать не более 150-200 слов.

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называют проводниками? 2. Что такое электростатическая индукция? 3. Назовите основные электростатические свойства проводников. 4. Как защищают оборудование и приборы от воздействия электрического поля? 5. Зачем применяют заземление? 6. Какие вещества называют диэлектриками? Приведите примеры. 7. Чем отличаются полярные диэлектрики от неполярных? 8. Что называют поляризацией диэлектрика? Каковы ее механизмы? 9. Что характеризует диэлектрическая проницаемость вещества?

Упражнение № 43

1. Почему незаряженные тела притягиваются к заряженным телам?

2. К кондуктору заряженного электрометра подносят (не касаясь его) незаряженное проводящее тело. Как и почему изменится отклонение стрелки электрометра? Ответ проверьте экспериментально.

3. Изменятся ли результаты опыта, представленного на рис. 43.2, если цилиндры будут изготовлены из диэлектрика? Ответ обоснуйте.

4. Незаряженная гильза из фольги висит на шелковой нити. К ней приближают заряженную палочку. Опишите и объясните дальнейшее «поведение» гильзы.

5. Над кондуктором заряженного электрометра расположили незаряженную пластину из оргстекла. Как изменится отклонение стрелки электрометра?

6. Два маленьких шарика, заряды которых одинаковы по модулю, находясь в трансформаторном масле на расстоянии 50 см друг от друга, взаимодействуют с силой 2,2 мН. Определите модуль заряда каждого шарика. Диэлектрическая проницаемость трансформаторного масла — 2,2.

7. Заряженный металлический шарик массой 40 г и объемом 4,2 см³ лежит на дне сосуда с жидкостью. После того как систему поместили в однородное электростатическое поле напряженностью 4,0 МВ/м, шарик всплыл. Найдите минимальный заряд шарика. Плотность жидкости — 800 кг/м³, диэлектрическая проницаемость — 5.

8. Какое устройство изображено на фото, представленном в начале § 43? Кто, когда и для чего сконструировал это устройство?