Провідники і діелектрики в електростатичному полі – фізика

У металах носіями вільних зарядів є електрони. При утворенні кристалічної решітки металу електрони зовнішніх оболонок атомів повністю втрачають зв’язки зі своїми атомами і стають «власністю» всього провідника в цілому. У результаті утворилися позитивно заряджені іони виявляються оточеними негативнозарядженим «газом», утвореним колективізованими електронами.

Важливо
Вільні електрони беруть участь в тепловому русі і можуть переміщатися по металу в будь-якому напрямку.

Запам’ятай
Заряджені частинки, здатні вільно переміщатися в провіднику під впливом електричного поля, називаються вільними зарядами.

Електростатичне поле усередині провідника. Наявність в провіднику вільних зарядів призводить до того, що навіть за наявності зовнішнього електричного поля усередині провідника напруженість поля дорівнює нулю. Якби напруженість електричного поля була відмінна від нуля, то поле призводило б вільні заряди в впорядкований рух, т. Е. В провіднику існував би електричний струм.

Твердження про відсутність електростатичного поля всередині провідника справедливо як для зарядженого провідника, так і для незарядженого, поміщеного у зовнішнє електростатичне поле.

Електростатичне поле усередині провідника
На прикладі незарядженою провідної пластини (провідника), внесеної в однорідне поле, з’ясуємо, в результаті якого процесу напруженість електростатичного поля всередині провідника виявляється рівною нулю (рис. 14.21). Силові лінії поля зображені суцільними лініями.

У перший момент (при внесенні пластини в поле) виникає електричний струм. Під дією електричного поля електрони пластини починають переміщатися справа наліво. Ліва сторона пластини заряджається негативно, а права – позитивно (див. Рис. 14.21). У цьому полягає явище електростатичної індукції. (Якщо, не прибираючи пластину з поля, розділити її навпіл уздовж лінії NN (див. Рис. 14.21), то обидві половини виявляться зарядженими.)

Візьміть два металеві кульки і наелектризується їх, використовуючи явище електростатичної індукції.

Запам’ятай
Явище поділу зарядів і їх розподіл по поверхні провідника в зовнішньому електричному полі називають електростатичною індукцією.

Електростатичного поля всередині провідника немає. На цьому факті заснована електростатичний захист. Щоб захистити чутливі до електричного поля прилади, їх поміщають в металеві ящики.

З’явилися заряди створюють своє поле (лінії напруженості цього поля показані на малюнку 14.21 штриховими прямими), яке накладається на зовнішнє поле і компенсує його. За нікчемно малий час заряди перерозподіляються так, що напруженість результуючого поля всередині пластини стає рівною нулю і рух зарядів припиняється.

Важливо
Силові лінії електростатичного поля поза провідника в безпосередній близькості до його поверхні перпендикулярні поверхні.

Силові лінії електростатичного поля поза провідника в безпосередній близькості до його поверхні перпендикулярні поверхні
Доведемо це. Припустимо, що якась силова лінія не перпендикулярна поверхні провідника (рис. 14.22). Це означає, що дотична складова вектора напруженості електричного поля не дорівнює нулю. Отже, на вільні заряди діє сила, що переміщає їх по поверхні провідника. Це переміщення буде відбуватися до тих пір, поки всі силові лінії не стануть перпендикулярними поверхні провідника.

Електричний заряд провідників. Усередині провідника при рівновазі зарядів не тільки напруженість поля дорівнює нулю, дорівнює нулю і заряд. Весь статичний заряд провідника зосереджений на його поверхні. Справді, якби всередині провідника мався заряд, то поблизу заряду малося б і поле. Але електростатичного поля всередині провідника немає. Отже,

Важливо
заряди в провіднику можуть розташовуватися тільки на його поверхні.

Цей висновок справедливий як для незаряджених провідників в електричному полі, так і для заряджених.

Діелектрики в електростатичному полі. Який вплив справляють на електростатичне поле тіла, які не є провідниками? Для з’ясування цього питання треба ближче познайомитися з будовою таких тіл.

У ізолятора або діелектрика електричні заряди, а точніше, електрично заряджені частинки – електрони і ядра в нейтральних атомах пов’язані один з одним. Вони не можуть, подібно вільним зарядам провідника, переміщатися під дією електричного поля по всьому об’єму тіла.

Різниця в будові провідників і діелектриків призводить до того, що вони по-різному поводяться в електростатичному полі. Електричне поле може існувати всередині діелектрика.

Щоб зрозуміти, як незаряджений діелектрик створює електричне поле, спочатку познайомимося з електричними властивостями нейтральних атомів і молекул.

Ізолятори у фізиці зазвичай називають діелектриками від грецького «діа» – через і англійського «електрик» – електричний (терміном «діелектрики» позначають речовини, через які передаються електромагнітні взаємодії)

Схема найпростішого атома – атома водню
Атоми і молекули складаються з позитивно заряджених частинок – ядер і негативно заряджених частинок – електронів. На малюнку 14.23 зображена схема найпростішого атома – атома водню. Позитивний заряд атома (заряд ядра) зосереджений в його центрі.

Електрон рухається в атомі з великою швидкістю. Один оборот навколо ядра він робить за дуже малий час, близько 10-15 с. Тому, наприклад, вже за 10 9 із він встигає зробити мільйон обертів і, отже, мільйон разів побувати в двох будь-яких точках 1 і 2, розташованих симетрично щодо ядра. Це дає підставу вважати, що в середньому за часом центр розподілу негативного заряду припадає на середину атома, тобто. Е. Збігається з позитивно зарядженим ядром.

Однак так йде справа не завжди. Розглянемо молекулу кухонної солі NaCl. Атом натрію має у зовнішній оболонці одне валентний електрон, слабо пов’язаний з атомом. У атома хлору сьомій валентних електронів. При утворенні молекули єдиний валентний електрон натрію захоплюється хлором. Обидва нейтральних атома перетворюються на систему з двох іонів із зарядами протилежних знаків (рис. 14.24). Позитивний і негативний заряди не розподілені тепер симетрично за обсягом молекули: центр розподілу позитивного заряду припадає на іон натрію, а негативного – на іон хлору.

Посилання на основну публікацію