Проводники в электростатическом поле. Электростатическая индукция

Тема: Проводники в электростатическом поле. Электростатическая индукция

Цель урока: формирование представлений о процессах, происходящих в проводниках, помещенных в электростатическое поле, умений объяснять явление электростатической индукции, применять полученные знания при решении задач.

Актуализация опорных знаний

1. Что называют электрическим напряжением?

2. Какова связь между электрическим напряжением и разностью потенциалов?

3. По какой формуле находят потенциал электростатического поля точечного заряда?

4. Что такое электрон-вольт?

Новый материал

Проводниками называются вещества, по которым могут свободно перемещаться электрические заряды, например переходить с одного тела на другое.

К проводникам относятся металлы, электролиты, плазма.

В металлах носителями заряда являются свободные электроны (электроны проводимости), в электролитах — положительные и отрицательные ионы, в плазме — свободные электроны и ионы.

В проводнике электрические заряды находятся в равновесии. Если бы это условие не выполнялось, то свободные легкоподвижные заряженные частицы, имеющиеся в достаточном количестве во всяком проводнике, под действием сил поля пришли бы в движение и равновесие было бы нарушено. Следовательно, напряженность поля в любой точке внутри проводника равна нулю. Это означает также, что потенциал проводника одинаков во всех точках.

Согласно электронной теории строения вещества, при объединении атомов металла валентные электроны, взаимодействующих друг с другом атомов, отщепляются и становятся свободными. У большинства металлов практически каждый атом теряет электрон и становится положительным ионом. Например, у меди в свободных электронов .

Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном беспорядочном движении. Скорость такого движения примерно равна . Ионы совершают колебательные движения.

Не смотря на наличие зарядов (свободных электронов и ионов), электрического поля внутри проводника нет.

Отдельные заряженные частицы создают микроскопические поля. Но эти поля внутри проводника в среднем компенсируют друг друга.

Поместим проводник в однородное электрическое поле с напряженностью . На свободные электроны начинают действовать электрические силы , под действием которых электроны приходят в движение.

Продолжая беспорядочное движение, электроны начинают смещаться в сторону действия силы (скорость смещения порядка ). На одной поверхности проводника образуется область с недостатком электронов, на противоположной ‒ с избытком электронов.

Это приводит к появлению еще одного электрического поля с напряженностью . Общая напряженность будет равна . электрическая сила, действующая на свободные электроны, будет равна .

По мере смещения электронов, заряд на поверхности увеличивается. Это приводит к увеличению напряженности внутри проводника. Общая напряженность станет уменьшаться. Следовательно, электрическая сила также уменьшается. Электроны перестают смещаться, но беспорядочное движение не прекращается. Общая напряженность проводника равна 0. На поверхности проводника остаются электрические заряды.

Во внешнем электрическом поле в первоначально незаряженном проводнике начнется движение свободных зарядов: положительно заряженных по направлению поля, отрицательно заряженных — в противоположном направлении. В соответствии с законом сохранения электрического заряда полный заряд проводника остается равным нулю, хотя на одной части поверхности проводника накапливаются положительные, а на другой — отрицательные заряды. (Такое разделение зарядов исчезает при устранении внешнего поля.) Заряды, возникшие на поверхности проводника во внешнем электрическом поле, называют индуцированными. А само явление разделения разноименных зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией. Это явление доказывает существование разноименных электрических зарядов в любом проводнике, который мы называем незаряженным.

В уединенном проводнике электрические заряды находятся в равновесии, а создаваемое ими поле (внутреннее поле) равно нулю. При помещении проводника во внешнее поле (создаваемое зарядами на других телах) в незаряженном проводнике начнется перераспределение свободных зарядов, которое происходит до тех пор, пока напряженность поля во всех точках внутри проводника не станет равной нулю. Это означает, что и потенциал сравняется во всех точках.

Таким образом, условие Е = 0 должно выполняться для всех точек внутри проводника независимо от того, заряжен он сам или помещен во внешнее электростатическое поле.

Явление электростатической индукции позволяет осуществлять простейшие «операции» с зарядами — бесконтактное разделение, получение заряда необходимого знака с помощью заземления. Благодаря своим огромным размерам Земля действует как резервуар зарядов, принимая и отдавая электроны. Когда мы поднесем к заземленному металлическому предмету отрицательно заряженный стержень, свободные электроны в металле будут отталкиваться и уходить в Землю. Отсоединим теперь стержень от этого предмета. На металле останется избыточный положительный заряд. Таким образом, мы зарядили предмет положительным зарядом.

Рассмотрим проводник сферической формы. Будем считать, что он достаточно удален от других тел и от поверхности Земли. Его заряд будет распределяться по поверхности равномерно. Если заряд шара q, а площадь поверхности S, то величина , равная заряду на единице площади поверхности

называется поверхностной плотностью заряда.

Вблизи равномерно заряженной сферы можно установить связь между и в вакууме

Когда форма проводника отлична от сферической, то распределение силовых линий вокруг него неравномерно. Наибольшая поверхностная плотность заряда возникает на тех частях проводника, которые имеют наибольшую кривизну (наименьший радиус кривизны). Если проводник имеет игольчатое окончание, то поверхностная плотность заряда на конце такой иглы будет настолько велика, что воздух вблизи острия будет ионизироваться. При этом молекулы воздуха будут «отнимать» заряды от иглы. Заряд проводника как бы «стекает» с иглы, образуя так называемый «электрический ветер».

На подобном явлении основано устройство молниеотвода (громоотвода). Во время грозы вблизи окончаний проводников образуется электрическое поле большой напряженности, ионизирующее окружающий воздух. Возникает «электрический ветер», «дующий» с острия молниеотвода навстречу заряженному грозовому облаку, который и препятствует удару молнии между облаком и защищаемым объектом, разряжая объект. Иными словами, молниеотвод предотвращает разряд атмосферного электричества, а не «вызывает» его на себя, как принято думать.

«Электрический ветер» также используется в медицине для ионизационной обработки кожи и внутренних органов.

Установлено, что наибольшая напряженность электрического поля в сухом воздухе при атмосферном давлении достигает . Поле большей напряженности ионизирует воздух и приводит к возникновению электрического разряда (молнии), сопровождаемого световыми и звуковыми явлениями.

Силовые линии внешнего поля заканчиваются на индуцированных зарядах, располагающихся только на поверхности проводника. Внутри проводника нет силовых линий. Это означает, что внешнее электростатическое поле никаких действий во внутренних частях проводника произвести не может. Следовательно, замкнутая проводящая оболочка защищает все, что находится внутри нее, от действия внешнего электростатического поля.

На этом основана электростатическая защита. Чувствительные приборы помещают внутрь проводящей оболочки, например металлической сетки, предотвращая влияние на них внешних полей.

Отметим, что проводящая оболочка экранирует только поле внешних зарядов.

Если заряды находятся внутри оболочки, то индукционные заряды возникнут и на ее внутренней поверхности. Поэтому замкнутая проводящая оболочка не экранирует поле электрических зарядов, помещенных внутри нее.

Закрепление изученного

1. Какие вещества называют проводниками?

2. Какие электрические заряды называются свободными?

3. Какие частицы являются носителями свободных зарядов в металлах?

4. Что называется индуцированным зарядом, где и когда он возникает?

5. Если находящийся в электрическом поле проводник разделить на две части, то как будут заряжены эти части?

6. Что происходит в металле, помещенном в электрическое поле?

7. Что применяют для защиты сооружений от молний?

8. Почему для молниеотвода используют заостренный стержень?