Особенности поведения проводников в электрическом поле

В веществе носители электрического заряда могут быть свободными и связанными. Первые без затраты энергии способны перемещаться по объему тела, но под воздействием электрического поля начинают двигаться в определенном направлении. Исходя из концентрации свободных носителей зарядов, вещества делят на проводники, диэлектрики и полупроводники. Количество свободных частиц с зарядом — это основная причина того, что проводник и диэлектрик проявляют себя в электрическом поле по-разному.

Что называют проводником

Проводники и внутреннее электрическое поле

Есть 3 категории веществ, способных хорошо пропускать ток:

• металлы;
• ионизированные газы;
• электролиты.

В металлических проводниках свободными носителями являются электроны, в электролитах — ионы с отрицательным и положительным зарядом, а в газообразных веществах — ионы совместно с электронами.

Носители электрозарядов

Внутреннее электрическое поле проводника с током — это материя, возникающая из-за движения заряженных частиц, которые, в свою очередь, перемещаются благодаря воздействию внешнего электрополя. Если проводник находится в электрическом поле, нужно учитывать, как движутся в нем свободные электрические заряды. Те, что имеют знак плюс будут идти в одну сторону — по направлению электрического поля, а со знаком мину будут двигаться в противоположную сторону. Следовательно, внутреннее электрическое поле прямого проводника с током возникает под влиянием внешнего. Носители электрозарядов будут двигаться до тех пор, пока напряженности полей не станут равными.

Направление движения электрозарядов

Говоря проще, внутреннее и внешнее поле — это поле внутри проводника и у его поверхности соответственно. Напряженность электрополя обозначается буквой «E». Как мы уже выяснили, электрическое поле внутри проводника, в конечном счете, сравнивается с внешним. То есть, напряженности этих полей в сумме дают нуль.

Если бы значение напряженности отличалось от нуля, то под действием поля происходило упорядоченное движение зарядов, то есть, в проводнике присутствовал электроток, но раз его нет, то и поля тоже нет.

Электрозаряд в проводниках

Механизм возникновения индуцированных зарядов

В проводнике с током происходит накапливание электронов в определенной зоне его поверхности, поэтому она приобретает отрицательный заряд, а противоположная зона — положительный (вследствие оставшихся положительных ионов). Следовательно, на поверхности проводника образуются индуцированные электрозаряды. Их также называют наведенными, но суммарный электрозаряд всегда остается неизменным.

Явление, заключающееся в том, что незаряженный проводник во внешнем электрическом поле электризуется за счет разделения присутствующих на нем разнознаковых заряженных частиц, получило название электростатической индукции.

Суть индукции

Перемещение заряженных частиц будет наблюдаться до тех пор, пока поле, образованное наведенными зарядами Е_доп, не сравняется с внешним Е₀. Результирующее внутреннее электрополе при этом будет иметь нулевое значение: Е = Е_доп + Е₀.

Напряженность вблизи поверхности металлического проводника вычисляется с помощью формулы Гаусса:

Математическое выражение теоремы Гаусса

Суммарное электрическое поле Е вблизи поверхности любого проводника всегда имеет показатели, заметно отличающиеся от первоначальных значений Е₀. Его силовые линии расположены под прямым углом к поверхности проводника. Они начинаются на индуцированных зарядах со знаком плюс, а заканчиваются на тех, у которых знак минус. Если проводник удалить из электрополя, то индуцированные заряды исчезнут, а если их отвести на другой проводник, отключив его при этом, то на исходном проводнике останутся частицы с зарядом противоположного знака.

Поскольку в равновесном состоянии поле в проводнике отсутствует, то удаление некоторого внутреннего объема вещества никак не отражается на распределении носителей зарядов. Это означает, что распределение заряженных частиц на проводнике с внутренней полостью происходит по аналогии со сплошным, то есть, носители зарядов скапливаются на наружных поверхностях. На данном явлении основывается электростатическая защита и принцип работы генератора Ван-де-Граафа.

Эффект электростатической защиты

Следовательно, электрополе внутри проводников, пребывающих в равновесии, всегда имеет нулевое значение. В противном случае произойдет перераспределение зарядов, и внутреннее поле сравняется по величине с внешним. Поскольку поле внутри проводника нулевое, то потенциал является постоянным, а сам проводник эквипотенциальным ( ).

Условия равновесного состояния

Что называют электрическим ветром

Если эквипотенциальные поверхности находятся далеко от проводника, то они принимают форму сферы. Чем ближе поверхности располагаются к проводнику, тем их форма становится все более приближенной к его форме.

Действует сильнее всего поле вблизи выступов проводника. Это происходит из-за того, что эквипотенциальные поверхности здесь располагаются гуще. А раз напряжение около выступов выше, значит, количество заряженных частиц больше. Самая высокая плотность зарядов наблюдается на остриях.

Поле заряженного проводника

Из-за огромной напряженности около остриев может произойти ионизация газов. Ионизация — это процесс расщепления молекул до ионов и электронов. Ионы притягиваются к частицам, имеющим противоположный знак. Из-за этого заряд пропадает, а частица становится электрически нейтральной. В это же время ионы, имеющие идентичный знак, улетают дальше от вещества. Так молекулы, не имеющие зарядов, уходят. По итогу заряд в проводнике с током снижается. Описанное явление ученые называют «электрическим ветром» либо «истечением заряда с острия».

Поведение полупроводников и диэлектриков в электрическом поле

Диэлектрик — это вещество, которое не способно проводить через себя ток. В диэлектриках либо нет вообще, либо очень мало заряженных частиц. А как мы знаем, ток — это направленное движение заряженных частиц. Именно из-за маленького их количества диэлектрики и не могут пропускать электричество.

Атомы в диэлектриках одинаковы по числу заряженных частиц с разными знаками. То есть, они электрически нейтральны. При воздействии электрического поля заряды в атомах и молекулах начинают смещаться. Это явление получило названия «поляризация». Выделяют 3 вида поляризации: электронная, ионная и дипольная.

Полупроводники, как и проводники в электрическом поле получают способность проводить ток и это явление связано с дрейфом носителей зарядов.

Электрические свойства веществ

Основное отличие полупроводниковых веществ от проводников заключается в  том, что их омическое сопротивление уменьшается с ростом температуры, примерно в десять раз сильнее по сравнению с проводниками. При температуре, равной абсолютному нулю, полупроводники не обладают электропроводностью и ведут себя подобно идеальным диэлектрикам.

Видео по теме