Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Бар’яхтар

§ 43. Провідники і діелектрики в електричному полі

Проводячи аналогії між гравітаційною та електростатичною взаємодіями, ми знаходили спільні для них властивості. Однак між ними існують і суттєві відмінності. Одна з них — усепроникність гравітаційного поля. Справді, сховище від сили тяжіння побудувати неможливо. А от від дії сил електростатичного поля можна сховатися досить надійно, побудувавши захист із провідника. З'ясуємо, чому це є можливим.

1. Якими є особливості внутрішньої будови провідників

Будь-яка речовина складається з молекул, атомів або йонів, які, у свою чергу, містять заряджені частинки. Тому, якщо тіло помістити в електричне поле, це спричинить певні зміни в речовині, з якої тіло виготовлено. Зрозуміло, що ці зміни залежать від властивостей самої речовини. За електричними властивостями речовини розділяють на провідники, діелектрики, напівпровідники.

Провідники — це речовини, здатні проводити електричний струм. Будь-який провідник містить заряджені частинки, що можуть вільно пересуватися. Типові представники провідників — метали. Нагадаємо: внутрішня структура металів являє собою утворену позитивно зарядженими йонами кристалічну ґратку, яка перебуває в «газі» вільних електронів. Саме наявність вільних електронів зумовлює провідні властивості металів. Провідниками також є електроліти, а за деяких умов — і гази. В електролітах вільними зарядженими частинками є позитивні й негативні йони, а в газах ще й електрони.

2. Електростатичні властивості провідників

Властивість 1. Напруженість електростатичного поля всередині провідника дорівнює нулю. Помістимо металевий провідник в електростатичне поле (рис. 43.1). Під дією поля рух вільних електронів стане напрямленим. Якщо електричне поле не надто велике, то електрони не можуть залишити провідник і накопичуються в певній області його поверхні, — ця область поверхні провідника набуває негативного заряду; протилежна — позитивного (його створюють позитивні йони, що там залишилися). Таким чином, на поверхні провідника з’являються наведені (індуковані) електричні заряди, при цьому сумарний заряд провідника залишається незмінним (рис. 43.2).

Рис. 43.1. Зовнішнє електричне поле індукує на поверхні провідника заряди протилежних знаків

Рис. 43.2. Якщо два металеві циліндри, які контактують один з одним, роз'єднати за присутності поряд зарядженої кулі, то кожен циліндр виявиться зарядженим

Явище перерозподілу електричних зарядів у провіднику, поміщеному в електростатичне поле, у результаті чого на поверхні провідника виникають електричні заряди, називають явищем електростатичної індукції.

• Який процес відбувався б, якби всередині провідника тривалий час існувало електричне поле?

Властивість 3. Увесь статичний заряд провідника зосереджений на його поверхні.

Ця властивість є наслідком закону Кулона і властивості однойменних зарядів відштовхуватися.

Властивість 4. Вектор напруженості електростатичного поля є перпендикулярним до поверхні провідника (рис. 43.4).

Властивість 5. Електричні заряди розподіляються по поверхні провідника так, що напруженість електростатичного поля провідника виявляється більшою на виступах провідника і меншою на його западинах (рис. 43.5).

Рис. 43.5. Напруженість електростатичного поля провідника більша на виступах провідника і менша на його западинах

3. Як застосовують електростатичні властивості провідників

Наведемо деякі приклади використання розглянутих електростатичних властивостей провідників.

Електростатичний захист. Іноді виникає необхідність ізолювати від впливу зовнішніх електричних полів деякі прилади. Очевидно, що для цього їх необхідно помістити всередину металевого корпусу, оскільки зовнішнє електричне поле викликає появу індукованих зарядів тільки на поверхні провідника, а поле всередині провідника відсутнє (рис. 43.6). Аналогічний ефект досягається, якщо суцільну провідну оболонку замінити металевою сіткою з дрібними гніздами: електричне поле проникає за сітку лише на глибину порядку розмірів гнізда сітки.

Рис. 43.6. Електростатичний захист. Під дією зовнішнього поля на поверхні металевого корпусу виникають індуковані заряди, поле яких екранує зовнішнє електричне поле: напруженість поля всередині корпусу стає рівною нулю

Заземлення. Щоб розрядити невелике заряджене тіло, його необхідно з’єднати провідником із тілом більших розмірів, адже на тілі більших розмірів накопичується більший електричний заряд. Щоб обґрунтувати це твердження, розглянемо дві з’єднані провідником провідні кулі радіусами R1 i R2, розташовані одна від одної на великій (порівняно з їхніми радіусами) відстані l (рис. 43.7). Електричний заряд Q, переданий системі, розподілиться між кулями таким чином, що їхні потенціали будуть рівними (φ1 = φ2). Відстань між кулями значно більша за їхні радіуси, тому, розраховуючи потенціали φ1і φ2 куль, взаємним впливом їхніх полів можна знехтувати і скористатися формулою для визначення потенціалу кулі:

Рис. 43.7. Заряд Q, переданий системі з двох куль, з'єднаних провідником, розподілиться між кулями таким чином, що їхні потенціали φ1і φ2 будуть рівними

Зверніть увагу! Якщо одна із заряджених куль значно більша за другу, після їх з’єднання практично весь заряд виявиться на більшій кулі. Цей висновок справджується і для провідних тіл довільної форми. Так, якщо до кондуктора зарядженого електроскопа торкнутися рукою, заряд перерозподілиться між кондуктором і тілом людини, але оскільки людина значно більша за розмір пристрою, то можна вважати, що весь заряд перейде на людину.

Часто як тіло великих розмірів використовують усю земну кулю: прилади, на яких не повинен збиратись електричний заряд, «заземлюють» — приєднують до масивного провідника, закопаного в землю.

4. Які особливості внутрішньої будови діелектриків

Діелектриками називають речовини, які погано проводять електричний струм: за звичайних умов в них практично відсутні заряди, що можуть вільно пересуватися. Залежно від хімічної будови діелектрики поділяють на три групи.

5. Як електростатичне поле впливає на діелектрик

У процесі поляризації полярних діелектриків виникає орієнтаційна поляризація. Під дією зовнішнього електричного поля дипольні молекули діелектрика намагаються повернутися так, щоб їхні осі були розташовані вздовж силових ліній поля. Проте тепловий рух молекул перешкоджає цьому процесу. Тому виникає лише часткове впорядкування дипольних молекул (рис. 43.9).

У процесі поляризації йонних діелектриків спостерігається йонна поляризація. Унаслідок дії зовнішнього поля йони різних знаків, що складають дві підґратки, зміщуються в протилежних напрямках, від чого на гранях кристала з’являються нескомпенсовані зв’язані заряди, тобто кристал поляризується. Слід підкреслити, що йонна поляризація в чистому вигляді не спостерігається, — її завжди супроводжує електронна поляризація.

6. Як діелектрик впливає на електростатичне поле

Діелектричні проникності різних речовин можуть відрізнятися в десятки разів. Так, діелектрична проникність газів близька до одиниці, рідких і твердих неполярних діелектриків — до кількох одиниць, полярних діелектриків — до кількох десятків одиниць (для води ε = 81). Є речовини (їх називають сегнетоелектриками), діелектрична проникність яких становить значення порядку десятків і сотень тисяч.

Сформулюйте підсумки § 43 самостійно. Спробуйте використати не більше 150-200 слів.

Контрольні запитання

1. Які речовини називають провідниками? 2. Що таке електростатична індукція? 3. Назвіть основні електростатичні властивості провідників. 4. Як захищають обладнання та прилади від впливу електричного поля? 5. Навіщо застосовують заземлення? 6. Які речовини називають діелектриками? Наведіть приклади. 7. Чим відрізняються полярні діелектрики від неполярних? 8. Що називають поляризацією діелектрика? Якими є її механізми? 9. Що характеризує діелектрична проникність речовини?

Вправа № 43

1. Чому незаряджені тіла притягуються до заряджених тіл?

2. До кондуктора зарядженого електрометра підносять (не торкаючись до нього) незаряджене провідне тіло. Як і чому зміниться відхилення стрілки електрометра? Відповідь перевірте експериментально.

3. Чи зміняться результати досліду, поданого на рис. 43.2, якщо циліндри будуть виготовлені з діелектрика? Відповідь обґрунтуйте.

4. Незаряджена гільза з фольги висить на шовковій нитці. До неї наближають заряджену паличку. Опишіть і поясніть подальшу «поведінку» гільзи.

5. Над кондуктором зарядженого електрометра розташували незаряджену пластину з оргскла. Як зміниться відхилення стрілки електрометра?

6. Дві маленькі кульки, заряди яких однакові за модулем, перебуваючи в трансформаторному мастилі на відстані 50 см одна від одної, взаємодіють із силою 2,2 мН. Визначте модуль заряду кожної кульки. Діелектрична проникність трансформаторного мастила 2,2.

7. Заряджена металева кулька масою 40 г і об’ємом 4,2 см3 лежить на дні посудини з мастилом. Після того як систему помістили в однорідне електростатичне поле напруженістю 4,0 МВ/м, кулька спливла. Знайдіть мінімальний заряд кульки. Густина мастила 800 кг/м3, діелектрична проникність — 5.

8. Який пристрій зображений на фото, поданому на початку § 43? Хто, коли і для чого його сконструював?