Главная > Физика > Физика для средних специальных учебных заведений
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 15.8. Проводник в электрическом поле.

Как известно, характерная особенность проводников заключается в том, что в них всегда имеется большое количество подвижных носителей зарядов, т. е. свободных электронов или ионов.

Внутри проводника эти носители зарядов, вообще говоря, движутся хаотически. Однако если в проводнике есть электрическое поле, то на хаотическое движение носителей накладывается их упорядоченное перемещение в сторону действия электрических сил. Это направленное перемещение подвижных носителей зарядов в проводнике под действием поля всегда происходит так, что поле внутри проводника ослабляется. Поскольку число подвижных носителей зарядов в проводнике велико металла содержится порядка свободных электронов), их перемещение под действием поля происходит до тех пор, пока поле внутри проводника не исчезнет совсем. Выясним подробнее, как это происходит.

Рис. 15.13.

Пусть металлический проводник, состоящий из двух плотно прижатых друг к другу частей, помещен во внешнее электрическое поле Е (рис. 15.13). На свободные электроны в этом проводнике действуют силы поля направленные влево, т. е. противоположно вектору напряженности поля. (Объясните, почему.) В результате смещения электронов под действием этих сил на правом конце проводника возникает избыток положительных зарядов, а на левом — избыток электронов. Поэтому между концами проводника возникает внутреннее поле (поле смещенных зарядов), которое на рис. 15.13 изображено пунктирными линиями. Внутри

проводника это поле направлено навстречу внешнему и на каждый оставшийся внутри проводника свободный электрон действует с силой направленной вправо.

Сначала сила больше силы и их равнодействующая направлена влево. Поэтому электроны внутри проводника продолжают смещаться влево, а внутреннее поле постепенно усиливается. Когда на левом конце проводника скопится достаточно много свободных электронов (они составляют все же ничтожную долю от их общего числа), сила сравняется с силой и их равнодействующая будет равна нулю. После этого оставшиеся внутри проводника свободные электроны будут двигаться уже только хаотически. Это и означает, что напряженность поля внутри проводника равна нулю, т. е. что поле внутри проводника исчезло.

Итак, когда проводник попадает в электрическое поле, то он электризуется так, что на одном его конце возникает положительный заряд, а на другом — такой же по величине отрицательный заряд. Такая электризация называется электростатической индукцией или электризацией влиянием. Отметим, что в этом случае перераспределяются только собственные заряды проводника. Поэтому, если такой проводник удалить из поля, его положительные и отрицательные заряды вновь равномерно распределятся по всему объему проводника и все его части станут электрически нейтральными.

Легко убедиться, что на противоположных концах проводника, наэлектризованного влиянием, действительно имеются равные количества зарядов противоположного знака. Разделим этот проводник на две части (рис. 15.13) и затем удалим их из поля. Соединив каждую из частей проводника с отдельным электроскопом, мы убедимся, что они заряжены. (Подумайте, как можно показать, что эти заряды имеют противоположные знаки.) Если снова соединить обе части так, чтобы они составляли один проводник, то мы обнаружим, что заряды нейтрализуются. Значит, до соединения заряды на обеих частях проводника были одинаковы по величине и противоположны по знаку.

Время, в течение которого происходит электризация проводника влиянием, настолько мало, что равновесие зарядов на проводнике возникает практически мгновенно. При этом напряженность, а значит, и разность потенциалов внутри проводника всюду становятся равными нулю. Тогда для любых двух точек внутри проводника справедливо соотношение

Следовательно, при равновесии зарядов на проводнике потенциал всех его точек одинаков. Это относится и к проводнику, наэлектризованному соприкосновением с заряженным телом. Возьмем проводящий шар и поместим в точку М на его поверхности заряд (рис. 15.14). Тогда в проводнике на короткое время возникает поле, а в точке М — избыток заряда. Под действием сил этого поля

заряд равномерно распределяется по всей поверхности шара, что приводит к исчезновению поля внутри проводника.

Итак, независимо от того, каким способом наэлектризован проводник, при равновесии зарядов поля внутри проводника нет, а потенциал всех точек проводника одинаков (как внутри, так и на поверхности проводника). В то же время поле вне наэлектризованного проводника, конечно, существует, а его линии напряженности нормальны (перпендикулярны) к поверхности проводника. Это видно из следующих рассуждений. Если бы линия напряженности была где-либо наклонна к поверхности проводника (рис. 15.15), то силу действующую на заряд в этой точке поверхности, можно было разложить на составляющие Тогда под действием силы направленной вдоль поверхности, заряды двигались бы по поверхности проводника, чего при равновесии зарядов не должно быть. Следовательно, при равновесии зарядов на проводнике его поверхность является эквипотенциальной поверхностью.

Если поле внутри заряженного проводника отсутствует, то объемная плотность зарядов в нем (количество электричества в единице объема) всюду должна равняться нулю.

Рис. 15.14.

Рис. 15.15.

Рис. 15.16.

Действительно, если бы в каком-либо малом объеме проводника находился заряд то вокруг этого объема существовало бы электрическое поле.

В теории поля доказано, что при равновесии весь избыточный заряд наэлектризованного проводника расположен на его поверхности. Это означает, что всю внутреннюю часть этого проводника можно удалить и в расположении зарядов на его поверхности ничего не изменится. Например, если одинаково наэлектризовать два равных по размерам уединенных металлических шара, один из которых сплошной, а другой полый, то поля вокруг шаров будут одинаковы. На опыте это впервые доказал М. Фарадей.

Итак, если полый проводник поместить в электрическое поле или наэлектризовать соприкосновением с заряженным телом, то

при равновесии зарядов поле внутри полости существовать не будет. На этом основана электростатическая защита. Если какой-либо прибор поместить в металлический футляр, то внешние электрические поля проникать внутрь футляра не будут, т. е. работа и показания такого прибора не будут зависеть от наличия и изменения внешних электрических полей.

Выясним теперь, как располагаются заряды по внешней поверхности проводника. Возьмем металлическую сетку на двух изолирующих ручках, к которой приклеены бумажные листочки (рис. 15.16). Если зарядить сетку и затем растянуть ее (рис. 15.16, а), то листочки с обеих сторон сетки разойдутся. Если же согнуть сетку кольцом, то отклоняются только листочки с внешней стороны сетки (рис. 15.16, б). Придавая сетке различный изгиб, можно убедиться, что заряды располагаются только на выпуклой стороне поверхности, причем в тех местах, где поверхность больше искривлена (меньше радиус кривизны), скапливается больше зарядов.

Итак, заряд распределяется равномерно только по поверхности проводника сферической формы. При произвольной форме проводника поверхностная плотность зарядов а, а значит, и напряженность поля вблизи поверхности проводника больше там, где больше кривизна поверхности. Особенно велика плотность зарядов на выступах и на остриях проводника (рис. 15.17). В этом можно убедиться, касаясь пробником различных точек наэлектризованного проводника, а затем электроскопа. Наэлектризованный проводник, имеющий заострения или снабженный острием, быстро теряет свой заряд. Поэтому проводник, на котором заряд необходимо сохранять долгое время, не должен иметь заострений.

Рис. 15.17.

(Подумайте, почему стержень электроскопа заканчивается шариком.)

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление