Электрическое поле внутри и снаружи проводника

Внутри любого вещества имеются электрические заряды, которые создают сложное электрическое поле. Оно меняется весьма резко, как по координате, так и по времени. Поле в данной точке (микрополе) определяется суммой полей от всех заряженных частиц этого вещества. Найти его практически невозможно, да и не нужно. Оказалось, что достаточно знать макрополе – электрическое поле, усредненное по физически бесконечно малому объему. Это объем, содержащий большое число атомов, но имеющий размеры много меньше тех, на которых заметно меняется макрополе. При помещении вещества во внешнее электрическое поле макрополе внутри вещества измениться. Оно будет складываться из внешнего и внутреннего. Внутреннее образуется за счет смещения зарядов вещества из положений равновесия, что приводит к появлению индуцированного заряда, как на поверхности, так и в объеме.

Рассмотрим металл, находящийся в постоянном электрическом поле.

Металл отличается от остальных веществ тем, что в нем имеется огромное число свободных электронов, то есть электронов, которые могут перемещаться на расстояния порядка размеров самого металла. Поэтому, если в металле на электроны действует какая-либо сила, то они будут

передвигаться до тех пор, пока внутреннее поле, связанное с перераспределением зарядов, полностью не скомпенсирует внешнюю силу. В результате электрическое поле внутри металла в стационарном случае равно нулю. Из этого следует (теорема Гаусса), что в металле нет не скомпенсированных свободных зарядов в объеме. Зато эти заряды появляются на поверхности, где их поверхностная плотность равна σ(А). Она, конечно, зависит от формы поверхности. Поскольку электрическое поле внутри металла равно нулю, то потенциал электрического поля внутри металла постоянен. Это означает, что энергия электронов внутри металла в

электростатическом случае везде одинакова.

Так как на поверхности металла есть свободные заряды, то электрическое поле в пространстве вблизи поверхности должно быть перпендикулярно этой поверхности. Иначе возникнет сила, направленная вдоль поверхности, способная двигать заряды, что они и будут делать до полной ликвидации этой составляющей силы.

Поле вблизи поверхности металла можно получить с помощью теоремы Гаусса (см.1.3).

Заряды в состоянии равновесия распределяются на поверхности проводника всегда, независимо от того, каким образом они возникли. Если замкнутый полый металлический проводник находится во внешнем электрическом поле (рис. а), то на нем появятся индукционные заряды. Эти заряды будут также сосредоточены только на внешней поверхности, а электрическое поле и в толще металла, и внутри полости будет равно нулю. Поэтому полый металлический проводник экранирует электрическое поле всех внешних зарядов. Этим широко пользуются на практике для устройства электростатической защиты. Для того чтобы оградить чувствительные электрические приборы от возмущающего действия внешних электрических полей, их заключают в замкнутые металлические ящики, которые соединяют с землей. Если же заряд находится внутри полости, то экранирование не происходит (рис.б).

При исследовании распределения зарядов на проводнике сложной формы оказывается, что поверхностная плотность заряда различна в разных точках поверхности: она близка к нулю внутри углубления (точка 1), принимает наибольшее значение на заострении (точка 2).

Но напряженность поля Е пропорциональна поверхностной плотности заряда. Поэтому и напряженность поля у поверхности проводника сложной формы также весьма неодинакова. Она особенно велика возле участков с малым радиусом кривизны, т.е. у заострений. Это приводит к своеобразному явлению «стекания» зарядов с металлических острий. Если соединить изолированное металлическое острие с источником высокого напряжения, то находящиеся поблизости изолированные проводники заряжаются.