Проводники в электростатическом поле

Энергия заряженного проводника, конденсатора и электростатического поля.

Электроемкость заряженного проводника. Конденсаторы.

Проводники в электростатическом поле.

Вопросы

Проводники в электрическом поле

Лекция 5

Проводником называется среда, в которой имеется достаточное число свободных электрических зарядов. Например, в металлах в 1 см³ содержится около 10²³ свободных электронов. В диэлектриках свободных электронов менее 10⁶ в 1 см³, а в хороших диэлектриках менее 10³ в 1 см³.

Хорошими проводниками электрического тока являются не только металлы, но еще растворы электролитов и ионизованные газы.

Металлы имеют кристаллическую структуру. В узлах кристаллических решеток металлов находятся положительно заряженные ионы, а валентные электроны могут свободно передвигаться между ними в различных направлениях по всему объему. Совокупность свободных электронов в металле называют электронным газом.

Если проводник поместить в электрическое поле, то свободные электроны перемещаются внутри него под действием поля против силовых линий, пока результирующее поле внутри металла не станет равным нулю. В результате под действием внешнего электри­чес­кого поля на поверхности пластины появятся индуцированные заряды с поверхностны­ми плотностями и . Электрическое поле индуцированных зарядов компенсирует внешнее электрическое поле, т.е.

, т.к. , то Þ , (1)

т.е. электростатическое поле внутри проводника отсутствует, а потенциал проводника является постоянным (проводник эквипотенциален).

У криволинейной поверхности проводника силовая линия напряженности электростатического поля должна быть направлена по нормали к этой поверхности, иначе под действием тангенциальной составляющей поля заряды перемещались бы по проводнику, что противоречит условию (1).

В заряженном проводнике избыточный заряд располагается только на поверхности, т.к. согласно теореме Гаусса для замкнутой области S внутри проводника заряд отсутствует.

. (2)

Пример. Точечный заряд у поверхности Земли. Поскольку силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям, электрическое поле вблизи проводника должно быть нормально к его поверхности. (Это понятно, так как если бы поле имело касательную составляющую, то электроны двигались бы вдоль поверхности проводника). В качестве примера на рис. 3 показано электрическое поле точечного заряда вблизи поверхности Земли (Земля – проводник).

Электростатическая индукция

При внесении незаряженного проводника в электростатическое поле носители зарядов приходят в движение. Перераспределение идет до тех пор, пока внутри проводника не будет Е =0, а на поверхности Е = Е_n.

Явление, состоящее в электризации незаряженного проводника во внешнем электростатическом поле путем разделения в этом проводнике уже имеющихся в нем в равных количествах положительных и отрицательных зарядов, называется электризацией через влияние или электростатической индукцией.

Индуцированные заряды появляются на проводнике вследствие смещения их под действием поля. При замыкании концов проводника с разноименными зарядами может появиться ток смещения, поэтому вектор на поверхности проводника называется вектором электрического смещения.

. (2)

Электростатическая защита

Электростатическая защита объектов (например, приборов) от влияния внешних электростати­чес­ких полей основана на том, что заря­ды располагаются на поверхности, а полость в замкнутом проводнике не заряжена (экранирована от внеш­него поля). Для электростатической защи­ты можно использовать не сплошной проводник, а метал­лическую сетку, которую заземляют, т.е. соединяют с нулевым потенциалом Земли.

Свойство зарядов распола­гать­ся на внешней поверхности исполь­зуется в электростатических генераторах, применяемых в высоковольтных ускорителях заряженных частиц, а также в слаботочной высоковольтной технике.

Дата добавления: 2014-01-07