Проводник в электростатическом поле

Проводник — вещество, проводящее электрический ток.

Свободные заряды. В проводниках, к которым в первую очередь относятся металлы, имеются заряженные частицы, способные перемещаться внутри проводников под влиянием электрического поля. По этой причине заряды этих частиц называют свободными зарядами.

В металлах носителями свободных зарядов являются электроны. При образовании металла из нейтральных атомов, атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому взаимодействию, электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со "своими" атомами и становятся "собственностью" всего проводника в целом. В результате положительно заряженные ионы оказываются окруженными отрицательно заряженным "газом", который образован коллективизированными электронами. Этот газ заполняет промежутки между ионами и стягивает их кулоновскими силами. Свободные электроны участвуют в тепловом движении, подобно молекулам газа, и могут перемещаться по куску металла в любом направлении.

Электростатическое поле внутри проводника. Наличие в проводнике свободных зарядов приводит к тому, что внутри проводника электростатическое поле равно нулю. Если бы напряженность электрического поля была отлична от нуля, то поле приводило бы свободные заряды в упорядоченное движение, т.е. в проводнике существовал бы электрический ток. Утверждение об отсутствии электростатического поля внутри проводника в равной мере справедливо как для заряженного проводника, так и для незаряженного, помещенного во внешнее электростатическое поле. (Конечно, отдельные заряженные частицы - электроны и ионы - создают микроскопические поля. Но эти поля взаимно компенсируют друг друга, и среднее значение напряженности их поля оказывается равным нулю.)

На примере незаряженной пластины, внесенной в однородное поле, выясним, в результате какого процесса напряженность электростатического поля внутри проводника оказывается равной нулю. Под действием электрического поля электроны пластины начинают перемещаться справа налево. В первый момент (при внесении проводника в поле) возникает электрический ток. Левая часть пластины заряжается отрицательно, а правая - положительно. В этом состоит явление электростатической индукции. (Если разделить пластину пополам, то обе половины окажутся заряженными.) Появившиеся заряды создают свое поле, которое накладывается на внешнее поле и компенсирует его. За ничтожно малое время заряды перераспределяются так, что напряженность результирующего поля внутри пластины становится равной нулю, и движение зарядов прекращается. В противном случае в проводнике все время протекал бы ток, и выделялась теплота. Но согласно закону сохранения энергии это невозможно.

Итак, электростатического поля внутри проводника нет. На этом основана так называемая электростатическая защита. Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их заключают в металлические ящики.

Силовые линии электростатического поля вне проводника перпендикулярны его поверхности. Если бы это было не так, то имелась бы составляющая напряженности поля вдоль поверхности проводника, и по поверхности протекал бы электрический ток.

Электрическое поле в проводнике с током. Скорость упорядоченного движения электронов мала: несколько сотых миллиметра в секунду. Почему же при столь малой скорости электрический ток устанавливается почти сразу же после замыкания цепи длиной в сотни километров?

Упорядоченное движение электронов вызывается и поддерживается электрическим полем в проводнике. Следовательно, электрический ток может установиться почти сразу по всей цепи только потому, что за очень малый промежуток времени во всем проводнике возникает электрическое поле.

Электрическое поле внутри проводника с током. Проводникам с током можно придавать самую разнообразную форму. Провода можно намотать на катушку, согнуть под любым углом и т.д. При этом с помощью амперметра можно обнаружить, что сила тока в проводнике не зависит от его формы

Если не меняется сила тока в проводнике, то согласно формуле V=I/enS не меняется и скорость направленного движения электронов. Во всех сечениях проводника определенного диаметра она одинакова. Но скорость упорядоченного движения электронов зависит от силы, действующей на них, т.е. от напряженности поля внутри проводника. Значит, напряженность поля во всех сечениях проводника должна быть одинаковой по модулю и не меняться при изменении формы проводника.

Линии напряженности электрического поля на протяжении всего проводника параллельны его поверхности. Они не могут пронизывать поверхность проводника и при любой форме проводника повторяют все его изгибы.

Итак, электрическое поле в проводнике появляется в результате того, что при замыкании цепи почти сразу же на всей поверхности проводника возникает поверхностный заряд.

Электрическое поле вне проводника. Заряды на поверхности проводника создают электрическое поле не только внутри, но и вне проводника. В отличие от внутреннего поля, это внешнее поле имеет более сложную структуру. Оно зависит от формы проводника, расположения источника тока, присутствия вблизи проводника других тел.

Стационарное электрическое поле. Электрическое поле в проводнике с током создает движущиеся заряды. При постоянной силе тока электрическое поле движущихся зарядов внутри и вне проводника не меняется со временем, подобно электростатическому полю неподвижных зарядов. Такое поле называется стационарным.

13 Электроёмкость заряженных тел, конденсатора

Если двум изолированным друг от друга проводникам сообщить заряды q1 и q2, то между ними возникает некоторая разность потенциалов Δφ, зависящая от величин зарядов и геометрии проводников. Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле часто называют напряжением и обозначают буквой U. Наибольший практический интерес представляет случай, когда заряды проводников одинаковы по модулю и противоположны по знаку: q1 = – q2 = q. В этом случае можно ввести понятие электрической емкости.

Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

В системе СИ единица электроемкости называется фарад.

Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, – обкладками.

Простейший конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика. Такой конденсатор называется плоским. Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами

Каждая из заряженных пластин плоского конденсатора создает вблизи поверхности электрическое поле, модуль напряженности которого выражается соотношением

Согласно принципу суперпозиции

Внутри конденсатора вектора и параллельны; поэтому модуль напряженности суммарного поля равен:

Вне пластин вектора и направлены в разные стороны, и поэтому E = 0. Поверхностная плотность σ заряда пластин равна q / S, где q – заряд, а S – площадь каждой пластины. Разность потенциалов Δφ между пластинами в однородном электрическом поле равна Ed, где d – расстояние между пластинами. Из этих соотношений можно получить формулу для электроемкости плоского конденсатора:

Таким образом, электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз: