Что происходит с проводниками в электростатическом поле
Содержание
Если полюса батарейки сомкнуть проволокой из металла, то по ней начнёт двигаться электрический ток. Если же поменять проволоку на палочку из стекла, то никакого электротока не появится. Металл считается проводником, а стекло — диэлектриком.
Особенности проводников
Проводники различаются с диэлектриками присутствием свободных электрозарядов, другими словами, заряженных элементов, местоположение которых не взаимосвязано с какой-либо точкой внутри вещества. Свободные электрозаряды начинают перемещение под воздействием электрополя. Они способны передвигаться по всему объёму проводящего материала.
Проводники в электростатическом поле — это, во-первых, металлы. В них свободными зарядами считаются электроны. Как же они там появляются? Это отличительная черта металлической связи. На самом деле, валентный электрон, который находится на внешней электронной оболочке атома металла, не очень прочно связан с атомом. При взаимодействии атомов металла их валентные электроны вылетают из собственных оболочек и распространяются по пространству металла. В узелках кристаллической решётки сохраняются положительные ионы. Можно подумать, что они тоже разлетаются под воздействием кулоновских сил. Однако пространство между ионами заполнено «газом» свободных электронов. Он, как склеивающая материя, удерживает всю кристаллическую решётку.
Об электролитах
Также к проводящим веществам относят электролиты — растворы и расплавы, свободные заряды в которых появляются в итоге диссоциации молекул на положительные и отрицательные ионы. Например, если добавить в стакан с водой немного поваренной соли, то молекулы соли распадутся на ионы. Под воздействием электрополя они начнут упорядоченно двигаться, в результате появится электроток.
Природная вода, в том числе и несолёная, считается проводящим материалом по причине нерастворённых в ней солей. Однако, это уже не такое качественное проводящее вещество, как металлы. Тело человека в большинстве своём содержит воду, а в ней растворены соли. Поэтому человек также является проводником электрического тока.
По причине присутствия свободных электрозарядов, которые способны двигаться по всему объекту, свойства проводников помещенных во внешнее электростатическое поле проявляются одинаково.
Поле внутри проводника
Первым схожим качеством проводников является то, что напряжённость внутри проводника, находящегося в электростатическом поле, равна нулю.
Это можно доказать от противного — тем же методом, что и в математике. Допустим, что проводник помещен в электростатическое поле. Под его воздействием статический заряд проводника меняет поведение: электроны и ионы начинают двигаться в определённом направлении. Появляется электрический ток, что не соотносится с законами электростатики.
Это может не дать чёткого ответа на вопрос, по какой причине обнуляется поле внутри проводника. Поэтому рассмотрим данный вопрос подробнее.
Почему обнуляется поле внутри проводника
Проанализируем незаряженный проводник, когда он находится во внешнем электростатическом пространстве. Будем считать, что это поле однородное.
Весь статический заряд накапливается в проводнике в определённых местах. Под воздействием электрополя свободные электроны перемещаются в его левое полушарие, заряженное отрицательно. Справа сохраняется нескомпенсированный положительный заряд. Такая электризация именуется электростатической индукцией: электрозаряды на поверхности находятся под воздействием электростатического поля. Стоит снова упомянуть о том, что наблюдается настоящее разделение электрозарядов. Они формируют собственное поле Ei, направленность которого внутри проводника обратна внешнему полю.
Перемещение свободных электрозарядов длится до того момента, пока внешнее и внутреннее поля не уравновесятся. Когда приходит этот момент, в проводнике образуется поле с зарядом, равным нулю. Поэтому последующее перемещение электронов и ионов заканчивается, они, наконец, останавливаются в собственных зафиксированных постоянных положениях на поверхности проводника.
Вокруг проводника внешнее поле искажается по мере приближения точки наблюдения к проводнику. На крупных расстояниях внешнее поле имеет форму, близкую к сферической. При приближении к проводнику его форма становится похожей на форму последнего. Вблизи выступов силовые линии располагаются гуще. В итоге образуется электрополе с определенной напряженностью. Пример формы силовых линий изображен на рисунке ниже.
Проводник в электростатическом поле с зарядом
Если проводник с зарядом поместить в электростатическое поле, то результирующее внутреннее поле также будет нулевым. Это объясняется тем, что имеющийся электрозаряд распределяется по поверхности проводящего материала так, что направление поля Ei внутри проводящего вещества противоположно направлению внешнего электростатического поля E.
Перераспределение происходит, пока поля E и Ei не компенсируют друг друга во внутренней области проводящего материала целиком. Следовательно, напряженность внутри проводящего вещества будет равной нулю, независимо от того, заряжен ли проводник был предварительно или нет. В любых проводниках, находящихся в электростатическом поле, происходит своеобразное выталкивание внешнего поля из внутреннего пространства.
Заряд внутри проводника
Еще одна схожая черта проводников заключается в том, что объёмная плотность электричества внутри проводящего материала везде равняется нулю. Поэтому общий электрозаряд также оказывается равным нулю. Нескомпенсированные электрозаряды при их изменении располагаются целиком на поверхности проводящего материала. Чёткое доказательство такого утверждения основывается на фундаментальной теореме Гаусса.
Неформальное объяснение достаточно простое: при наличии нескомпенсированных электрозарядов, расположенных внутри проводника, в нем бы формировалось электростатическое поле. Но такого поля внутри проводника нет, а значит, зарядов тоже нет.
На явлении исчезновения электрополя внутри проводящего материала базируется некая электростатическая защита. Если необходимо какое-нибудь устройство уберечь от внешних электростатических полей, его кладут в металлический ящик, обнуляя напряжённость поля в пространстве вокруг устройства.
Поле за пределами проводника
Когда проводник находится во внешнем электростатическом поле, линии напряженности входят в него под прямым углом. По какой причине так происходит? Заново представим доказательство от противного.
Пусть в какой-либо точке проводника силовая линия не создает прямой угол с его поверхностью. Поэтому в этой точке присутствует составляющая вектора напряжённости, направленная по касательной к поверхности проводящего материала — касательная составляющая вектора напряжённости. Под её воздействием должен возникать электрический ток, что невозможно из-за того, что действие происходит в электростатике.
Другими словами, электрозаряды на поверхности проводника передвигаются, пока линии напряжённости, которые уходят в окружающее пространство во всякой точке проводника не образуют прямой угол с его поверхностью.
Обратим внимание на множества точек, которые имеют одинаковый потенциал. В качестве первого примера можно представить эквипотенциальные поверхности, а в качестве второго — проводник.
Все точки проводника обладают одинаковым потенциалом. Иначе говоря, разница между потенциалами любых двух точек проводника равняется нулю.
Загрузка...
