Проводники в электрическом поле

Глава 19. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

В школьном курсе физики есть раздел, посвященный электрическим свойствам проводников и диэлектриков и их поведению во внешнем электрическом поле.

В необходимый минимум знаний по этому вопросу входит понимание явления электростатической индукции и его механизмов в проводниках и диэлектриках, а также умение находить в простейших ситуациях индуцированные в проводниках и диэлектриках заряды. Кратко рассмотрим эти вопросы.

В состав атомов входят заряженные частицы (электроны и протоны). Поэтому любое тело содержит огромное количество зарядов. Число протонов и число электронов в составе незаряженного тела одинаково, заряженное тело содержит разные количества протонов и электронов.

В зависимости от того, являются ли заряды внутри тела свободными или связанными, все вещества делятся на проводники, диэлектрики (или изоляторы) и полупроводники.

В проводниках электрические заряды могут свободно перемещаться, и потому такие тела проводят электрический ток.

К проводникам относятся все металлы, в которых носителями заряда являются «оторвавшиеся» от атомов валентные электроны (свободные электроны), а также растворы электролитов (кислот, щелочей и солей), в которых перемещаются положительные и отрицательные ионы.

В диэлектриках все заряды «привязаны» к покоящимся атомам и не могут перемещаться. Поэтому диэлектрики не проводят электрический ток. К диэлектрикам, например, относятся: газы, пластмассы, эбонит, резина, дистиллированная вода.

Вещества, занимающие по своей проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, называются полупроводниками. Типичными полупроводниками являются кристаллические германий и кремний. В полупроводниках свободные носители заряда есть, но их мало.

Не следует, однако, думать, что полупроводники являются просто «плохими» проводниками или «плохими» изоляторами. Промежуточная проводимость полупроводников приводит ко многим необычным их свойствам, которые отличают полупроводники как от проводников, так и от диэлектриков.

С этими свойствами связаны многие применения полупроводников в технике.

При помещении проводника в электрическое поле свободные носители заряда внутри проводника перемещаются и на его поверхности образуются области положительного и отрицательного заряда. Такое явление разделения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией или поляризацией проводника.

В результате поляризации электрическое поле в пространстве изменяется и становится равным сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов. Можно доказать, что перемещение зарядов в проводнике будет происходить до тех пор, пока суммарное поле внутри проводника не станет равным нулю, а на его поверхности — перпендикулярным поверхности.

Такое свойство проводника позволяет находить индуцированные на его поверхности заряды.

Для этого нужно ввести эти заряды как некоторые неизвестные величины, затем найти поле, создаваемое этими зарядами и суммарное поле, равное векторной сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов, приравнять суммарное поле внутри проводника к нулю. Решение полученного уравнения и позволит найти индуцированные заряды.

В диэлектрике поляризация также происходит, однако механизмы этого явления — другие. Как правило, молекулы диэлектрика являются полярными, т.е. какая-то область молекулы заряжена положительно, какая-то — отрицательно.

При помещении диэлектрика во внешнее поле молекулы поворачиваются, и на определенные участки поверхности диэлектрика «выходят» своими положительными областями, на другие — отрицательными.

В результате на поверхности диэлектрика образуются области положительного и отрицательного заряда, но при разрезании диэлектрика (в отличие от разрезания проводника) получившиеся части будут незаряженными.

Благодаря поляризации диэлектрика поле в нем ослабляется, но не становится равным нулю. Характеристика диэлектрика, которая показывает, во сколько раз ослабляется поле в нем, называется диэлектрической проницаемостью.

Рассмотрим в рамках данного фактического материала задачи первой части.

В задаче 19.1.1 из нижеперечисленного списка веществ проводником электрического тока является металл — свинец (ответ 3).

В задаче 19.1.2 диэлектриком является мел (ответ 1; алюминий и железо — металлы, т.е. проводники тока, в водопроводной воде растворены различные соли в таком количестве, что она является прекрасным проводником электрического тока).

Как отмечалось ранее, при внесении металлического тела в электрической поле (задача 19.1.3) на поверхности тела индуцируются электрические заряды, сумма которых равна нулю. Все остальные предложенные ответы неверны: для приобретения электрического заряда телу нужно сообщить или забрать у него электроны, заряды не могут индуцироваться в объеме проводника — их невозможно там удержать.

Взаимодействие между зарядом и незаряженным диэлектрическим телом возникает (задача 19.1.4), причем это взаимодействие –— притяжение (ответ 2).

Это взаимодействие возникает благодаря поляризации: из-за ориентации молекул диэлектрика часть поверхности тела, обращенная к заряду, приобретает заряд противоположного знака, дальняя от заряда часть поверхности тела — заряд того же знака (см. рисунок).

Поэтому возникнет две силы — притяжение близких участков и отталкивание дальних. Но поскольку индуцированные заряды — одинаковы по величине, а кулоновское взаимодействие убывает с ростом расстояния, притяжение сильнее отталкивания, и тело будет притягиваться к заряду.

Как указывалось во введении к настоящей главе, части металлического тела, внесенного в электрическое поле и разрезанного там (задача 19.1.5) будут заряжены. Поскольку направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, частьбудет заряжена положительно, часть— отрицательно (ответ 2). Если тело является диэлектриком, то его части будут незаряженными (задача 19.1.6 — ответ 1).
При внесении проводящего тела в электрическое поле (задача 19.1.7) будут иметь место все три явления, перечисленных в качестве возможных ответов к задаче. О пунктах (1) и (3) («поле внутри проводника равно нулю» и «поле на поверхности перпендикулярно поверхности») говорилось во введении к настоящей главе. Докажем, что потенциал одинаков во всех точках тела. Для этого возьмем точечный пробный заряд и мысленно перенесем его из одной точки тела в другую (см. рисунок; траектория движения заряда показана пунктиром). С одной стороны, при таком движении поле совершит работу, гдеи— потенциалы начальной и конечной точек траектории тела. С другой стороны, поскольку напряженность поля внутри проводящего тела равна нулю, эта работа — нулевая. Поэтому(правильный ответ в задаче — 4). Аналогично в задаче 19.1.8(ответ ,3).

После соединения проводником (задача 19.1.9) два металлических тела и соединяющий проводник будут представлять собой единое проводящее тело. Поэтому потенциалы любых точек этого тела должны быть одинаковы. Следовательно, выровняются потенциалы сфер (ответ 1).

В задачах с заземлением (задача 19.1.10) рассматривается следующая модель Земли: это проводящий шар с размерами, много большими размеров любых тел, имеющихся в задаче.

Поэтому для потенциала Земли можно использовать формулу (18.8), которая для любых зарядов, с которыми мы имеем дело, дает нулевой результат.

Поэтому при заземлении тела его потенциал становится равным нулю (ответ 2).

Сила взаимодействия противоположных электрических зарядов при внесениимежду ними диэлектрической пластинки (задача 19.2.1) увеличится (ответ 2).

Действительно, в поле зарядов на поверхности пластинки будут индуцироваться заряды: ближе к положительному — минусы, ближе к отрицательному — плюсы (см. рисунок).

В результате на каждый точечный наряду с той же самой силой притяжения к другому заряду (а она, конечно, не меняется, ведь принцип суперпозиции говорит о том, что все заряды взаимодействуют независимо) будут действовать две дополнительные силы.

Это будет сила притяжения к зарядам того же знака и отталкивания от зарядов противоположного. А поскольку заряды противоположного знака ближе, сила притяжения будет больше. Возникновение дополнительной силы, направленной к пластинке, будет восприниматься как увеличение силы притяжения.

Как отмечалось выше (задача 19.1.7) потенциал электрического поля во всех точках проводящего тела одинаков. Поэтому можно ввести понятие потенциала проводящего тела, который определяется как потенциал электрического поля в любой точке этого тела.

Поэтому для потенциала металлического шара из задачи 19.2.2 имеем, где,— заряд шара,— его радиус. Потенциал поля шара на расстоянии двух радиусов от его поверхности и, следовательно, трех радиусов от центра шара равен, т.е. одной трети от потенциала шара.

Отсюда находимВ (ответ 2).

Потенциал каждой капли ртути (задача 19.2.3) равен, где,— заряд капли,— ее радиус. После слияния заряд большой капли равен, а радиус, где — число капель (последнее следует из того, что объем большой капли равен сумме объемов капель). Отсюда находим потенциал большой капли

(ответ 2).

Поскольку после соединения шары будут представлять собой единое металлическое тело (задача 19.2.4), то заряд разделится между ними так, что потенциалы шаров будут одинаковы. Поэтому для зарядов шаровивыполнено условие

Отсюда находим(ответ 4).

Согласно принципу суперпозиции потенциал каждой точки складывается из потенциала, создаваемого в этой точке всеми зарядами. Поэтому потенциалы и внутренней и внешней сферы (задача 19.2.5) создаются зарядами внутренней и внешней сфер. А поскольку потенциал в любой точке внутри сферы определяется ее радиусом сферы (см. (18.8)), получаем

Аналогично находим потенциал внешней сферы

Отсюда находим

(ответ 3).

Чтобы найти разность потенциалов между двумя проводниками нужно мысленно перенести пробный заряд с одного из них на другой, найти работу, совершаемую электрическим полем при этом, разделить работу на величину пробного заряда. В задаче 19.2.

6 между пластинками будет однородное поле с напряженностью. Поэтому работа поля над пробным зарядомпри его перемещении с одной пластинки на другую есть. С другой стороны, работа поля следующим образом связана с разностью потенциалов.

Читайте также:  Расчет тэна

Отсюда находим разность потенциалов пластин

(ответ 3).

Поскольку напряженность поля между двумя параллельными пластинками, заряженными одинаковым зарядом равна нулю (см. задачу 18.2.8), то при перенесении пробного заряда с одной пластины на другую поле не совершает работу. Следовательно, разность потенциалов между такими пластинками в задаче 19.2.7 равна нулю (ответ 4).

В задаче 19.2.

8 заряды распределятся только по внешней поверхности полого шара (если бы весь заряд или какая-то его часть находилась на внутренней поверхности, то в объеме проводника было бы электрическое поле, чего быть не должно).

А поскольку заряд, расположенный на поверхности сферы, создает поле только снаружи этой сферы, то напряженность будет отлична от нуля только в области 3. Поэтому правильный ответ в задаче — 4.

В задаче 19.2.

9 заряды индуцируются и на внешней и на внутренней поверхностях полого шара, причем их сумма равна нулю. Результирующее поле будет создаваться центральным зарядом и индуцированными зарядами, которые, фактически, представляют собой равномерно заряженные сферы. А поскольку поле сферы равно нулю внутри этой сферы, то суммарное поле в полости (в области 1) равно полю точечного заряда, т.е. не равно нулю. Внутри металлического тела (в области 2) поле равно нулю, как и внутри любого проводника. Снаружи шара поля индуцированных зарядов компенсируют друг друга, поэтому суммарное поле равно полю точечного заряда, т.

е. не равно нулю. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

В задаче 19.2.

10 на внешней и внутренней поверхности сферической оболочки будут индуцироваться такие заряды, что суммарное поле (внешнее плюс поле индуцированных зарядов) внутри оболочки будет равняться нулю. Пусть на внутренней поверхности будет индуцирован заряд —, тогда на внешней поверхности будет индуцирован заряд.

Поле внутри оболочки (в области 2) будет создаваться только точечным зарядом и зарядами внутренней поверхности (заряд внешней поверхности благодаря ее сферичности в этой области электрического поля не создает). С другой стороны это поле равно нулю.

Отсюда заключаем, что заряд внутренней поверхности оболочки противоположен по знаку центральному точечному заряду и равен ему по величине. Следовательно, заряд внешней поверхности оболочки центральному заряду (ответ 1).

Источник: http://online.mephi.ru/courses/sge/data/reference_book/19/p19.html

Проводники в электростатическом поле

Сохрани ссылку в одной из сетей:

Реферат на тему:

«Проводники

в электростатическом

поле»

Ученика 10 «Б» класса

Средней школы №1

г. Микашевичи

Абрамчук Дмитрий

2010

План:

Свободные заряды…………………………3

Электростатическое поле внутри проводника…..3

Электрический заряд проводников……………4

Электрическое поле в проводнике стоком…….5

Электрическое поле внутри проводника с током..5

Электрическое поле вне проводника………….6

Стационарное электрическое поле……………6

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.


Электрический заряд проводников.В случаеравновесия зарядов не только напряженность поля внутри проводника равна нулю, равен нулю и заряд.

Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. В самом деле, если бы внутри проводника имелся заряд, то вблизи заряда имелось бы и поле. Но электрического поля внутри проводника нет. Следовательно, заряды в проводнике могут располагаться только на его поверхности.

Отсутствие заряда внутри проводника можно обнаружить с помощью простых опытов, например, опыта с цилиндром из проволочной сетки. На поверхности цилиндра приклеены легкие листочки станиоля. Внутри цилиндра на проводящем подвижном стержне укреплены еще два листочка.

Если сообщить цилиндру заряд, например, от электростатической машины, листочки отклонятся на некоторый угол, так как перетекший на них заряд будет отталкиваться от одноименного заряда цилиндра или соседнего листочка.

Но если листочки на стержне внести внутрь цилиндра, то они не отклонятся, так как заряд на них равен нулю.

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.

Если бы линии напряженности пронизывали поверхность проводника, то вектор Е имел бы составляющую, перпендикулярную поверхности проводника. Заряженные частицы двигались бы к поверхности и накапливались на ней до тех пор, пока созданное этими зарядами поле не компенсировало нормальную к поверхности проводника составляющую вектора Е.

Такой процесс образования зарядов на поверхности проводника действительно происходит в первый момент после замыкания цепи. Эти заряды и создают электрическое поле внутри всего проводника. Итак, электрическое поле в проводнике появляется в результате того, что при замыкании цепи почти сразу же на всей поверхности проводника возникает поверхностный заряд.

Процесс установления электрического поля в проводнике напоминает процесс установления течения воды в трубе. Когда поршень насоса начнет двигаться, то благодаря наличию стенок трубы жидкость сильно сжимается, и импульс давления в ней распространяется по трубе со скоростью нескольких сотен метров в секунду.

Поэтому почти сразу же все частички воды в трубе приходят в движение под действием сил давления. Скорость же движения самих частичек воды невелика: несколько десятков сантиметров в секунду.Электрическое поле вне проводника. Заряды на поверхности проводника создают электрическое поле не только внутри, но и вне проводника.

Читайте также:  Линеаризация характеристик датчиков

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. Поле не меняется со временем вследствие того, что поверхностная плотность зарядов, создающих это поле, остается неизменной. Заряды движутся, но на место ушедшего за время (t-t') заряда на данный участок поверхности приходит точно такой же новый заряд.

Стационарное поле, как и электростатическое, является потенциальным.

Источник: http://works.doklad.ru/view/GG0n1UPEAFc.html

Проводники в электрическом поле

Ведь все заряженные частицы являются частью атомов вещества. Дело в том, что в металлах в процессе образования кристаллической решетки атомы вещества сильно взаимодействуют друг с другом, следствием чего является потеря электронами связи с ядрами своих атомов.

Они остаются связанными только с самой формой вещества, не имея возможности покинуть его границы, но свободно перемещающимися внутри кристаллической решетки в любых направлениях.

Такая особенность металлов дает возможность существования электрического тока внутри проводника, а также обусловливает еще одно интересное свойство металлов, на котором стоит остановиться подробнее.

При наличии внешнего электростатического поля напряженность поля внутри проводника равна нулю. Это происходит вследствие свойства электростатической индукции.

Отсутствие электростатического поля внутри проводника

Можно рассмотреть это на примере металлической пластины. При помещении проводника в электрическое поле, в первый момент возникает электрический ток. Под действием внешнего поля электроны начинают перемещаться.

Они перераспределяются по пластине таким образом, что положительные заряды пластины оказываются со стороны отрицательных зарядов, создающих поле, и наоборот. Отрицательные заряды пластины притягиваются положительными зарядами, создающими внешнее поле.

При этом уже сами заряды пластины создают свое собственное поле, которое противоположно по направлению линиям напряженности внешнего поля и компенсирует его.

Так и выходит, что по принципу суперпозиции полей их напряженности складываются, и результирующая напряженность поля внутри проводника оказывается равной нулю. Перераспределение зарядов происходит за ничтожно короткое время, поэтому можно считать, что оно происходит мгновенно.

Выходит, что внутри тела, сделанного из проводника, электростатического поля не будет. Именно на этом свойстве металлов основано применение защиты от внешних полей.

Особо чувствительные приборы и механизмы помещают в оболочку из металла, например, в ящик или оплетают металлической сеткой, которая обладает теми же свойствами, что и цельные куски металла.

Таким образом, объекты не подвергаются внешнему воздействию вроде электризации, намагничивания и так далее.

Так же как поля внутри проводника нет, так и заряд внутри проводника равен нулю. Ведь если бы заряд не был равен нулю, то он бы обусловил существование поля.

Поэтому весь заряд распределяется по поверхности. Причем это справедливо как для заряженных проводников, так и для незаряженных проводников, помещенных в электростатическое поле.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Силовые линии электростатического поля: напряжённость поля заряженного шара
Следующая тема:   Опыт Милликена и Иоффе: суть эксперимента и как это было

Источник: http://www.nado5.ru/e-book/provodniki-v-ehlektricheskom-pole

Проводники в электрическом поле

Дата публикации 07.01.2013 17:20

Различные тела, как всем известно, делятся на непроводники (диэлектрики) и проводники по их электрическим свойствам. Одной из особенностей, которую имеют проводники в электрическом поле, является то, что когда заряды находятся в равновесии на их поверхности, внутри них будет отсутствовать электрическое поле. Чем это объяснить?

Все дело в том, что проводники имеют особые электрические заряды. Так, металлы, например, являются носителями таких зарядов, как электроны, которые потеряли связь с атомами. Их называют свободными электронами.

Такие электроны в проводнике из металла, помещённом в электрополе, под воздействием сил этого поля будут передвигаться в направлении, которое будет противоположно напряжённости электрополя.

Возьмем проводник в электрическом поле ABCD, который помещён в однородное поле, с напряженностью, направленной слева направо.

На поверхности AC проводника возникает излишний отрицательный заряд, а излишний положительный — на другой DB. На данном примере мы видим, что проводники в электрическом поле электризуются. Заряды, которые появляются на поверхности проводника, создают внутри него дополнительное электрическое поле.

Его силовые линии имеют противоположное направление по отношению к силовым линиям основного поля. В результате напряжённость основного поля в проводнике уменьшится, т.е. ослабится сила, которая действует на свободные электроны, а также вызывает их движение.

Заряды, которые имеют проводники в электрическом поле, прекратят движение, когда напряженность результирующего поля внутри них станет равной нулю.

Итак, при равновесии зарядов на проводнике поле внутри него отсутствует. Его отсутствие может использоваться для предохранения тел от влияния внешнего электрического поля. С этой целью достаточно окружить тело тонким проводящим слоем, например, поместить его в ящик из металла. Внутри этого ящика поля не будет.

Чтобы доказать факт того, что в заряженном проводнике нет электрического поля, в своем опыте, Фарадей соорудил большую проволочною клетку, которую установил на изоляторы и подзаряжал.

Находясь внутри этой клетки со сверхчувствительным электроскопом, Фарадей доказал, что внутри нее не действуют никакие электрические силы, хотя на внешней поверхности сосредоточился весьма значительный заряд. Такое явление называют электризацией посредством влияния или электростатической индукцией.

Его причина — воздействие наружного электрического поля на незанятые электроны в проводнике. А заряды, которые имеют проводники в электрическом поле, называют индуктированными зарядами.

Явлением электризации через влияние объясняют притяжение между наэлектризованными и ненаэлектризованными телами, а также передачу электрического заряда при соприкосновении таких тел.

Когда наэлектризованное тело приближают к лёгкому проводнику, то на нем появляются индуктированные заряды обоих знаков. Так, заряды противоположных знаков будут притягиваться к телу, а одноименные заряды будут отталкиваться.

Благодаря тому, что одноименные заряды находятся на стороне легкого проводника, более отдаленной от тела, то равнодействующей этих обеих сил является сила притяжения. Под воздействием этой силы легкий проводник притянется к телу.

Во время соприкосновения их индуктированный заряд противоположного знака будет нейтрализован частью индуктирующего заряда, которая равна ему по величине. На легком же проводнике останется такого же знака заряд, какой и на теле.

Из-за того, что легкий проводник теперь имеет такой же заряд, как и тело, то он оттолкнется от него; это мы и наблюдаем на опыте.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле имеют различные свойства. Так, диэлектрики практически не имеют свободных зарядов. При помещении их в электрополе происходит явление поляризации.

Источник: http://www.vigivanie.com/nauka/1191-provodni.html

Проводники в электрическом поле

В случае если проводнику сообщить некоторый заряд или его поместить во внешнее электростатическое поле, то в обоих случаях на заряды проводника будет действовать электростатическое поле и они будут перемещаться внутри проводника. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока внутри проводника поле не будет равно нулю.

При этом, естественно, согласно уравнению (3.4.6) потенциал внутри проводника должен быть постоянным (j=const). Далее, напряженность на поверхности проводника в каждой точке должна быть направлена по нормали.

В противном случае касательные составляющиепривели бы заряды, находящиеся на поверхности в движение, и равновесие зарядов было бы нарушено.

Применив теорему Гаусса можно определить напряженность поля непосредственно у поверхности проводника. Пусть на поверхности проводника, показанного на рис.16.1 поверхностная плотность зарядаравна s.

Рис.16.1

Проведем замкнутый цилиндр, ось которого совпадает по направлению с вектором. Одно основание цилиндра находится внутри проводника, а другое, вне.

Ясно, что потоки через боковую поверхность и через основание, находящееся внутри проводника, будут равны нулю.

По этой причинегде Еn – проекция векторана внешнюю нормаль, DS площадь сечения цилиндра, s поверхностная плотность заряда. Из последнего равенства получаем:

, (3.5.1)

где e — диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник. В случае если в электрическое поле внесем незаряженный проводник (рис.16.2),

а) б)

Рис.16.2

то внутри проводника будет происходить процесс разделœения свободных зарядов (электронов , ионов) так, что на одном конце проводника будет избыток положительных зарядов, на другом отрицательных. Создаваемое этими зарядами поле будет направлено против внешнего поля.

Данный процесс будет происходить до тех пор, пока поле внутри проводника не станет равным нулю, при этом линии напряженности на поверхности проводника будут ортогональны к поверхности. На рис. (16.

2а) показаны линии напряженности в первоначальный момент помещения проводника в электрическое поле, а в (16.2 б) установившееся конечное состояние.

Появившиеся на поверхности заряды называются индуцированными зарядами, а само явление перераспределœения зарядов в проводнике под действием поля принято называть явлением электростатической индукции.

Наличие полости внутри проводника не влияет на окончательное распределœение зарядов на поверхности. Это положение должна быть использовано для электростатической защиты различных тел, к примеру, электроизмерительных приборов, от влияния внешних электростатических полей. Обычно для этого используют металлическую сетку.

Расположение зарядов, сообщенных проводнику на поверхности проводника, должна быть использовано для накопления большого количества зарядов (обоих знаков) в проводниках и для создания между противоположно заряженными проводниками большей разности потенциалов (в несколько миллионов вольт). Эта идея использована Ван-де-Графом для создания электростатического генератора.

Читайте также:  Механизированная прокладка оптоволоконного кабеля: рассказ прораба

Читайте также

  • — Лекция 4. Проводники в электрическом поле.

      § 4 – 1 Проводники в электрическом поле. Статический заряд на проводниках распределяется так, чтобы поле внутри проводника было бы равно нулю. В противном случае возникновение электрического поля приведет к движению зарядов. Напомним, что проводники (металлы)… [читать подробнее].

  • — Проводники. Проводники в электрическом поле. Индуцированные заряды.

    Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам,… [читать подробнее].

  • — Проводники в электрическом поле

    Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить, то на заряды проводника будет действовать электростатическое поле, в результате чего они начнут перемещаться до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором… [читать подробнее].

  • Источник: http://referatwork.ru/category/matematika/view/145631_provodniki_v_elektricheskom_pole

    Проводники в электрическом поле

    Напряженность поля вблизи поверхности проводника; механизм образования поля на поверхности проводника; потенциал проводника; зависимость плотности распределения заряда от кривизны поверхности проводника.

    Энергия заряженного проводника. Внутри проводника при электростатическом равновесии электрическое поле отсутствует: По теоремe Гаусса: при тогда 2.

    Электрическое поле возле самой поверхности проводника должно быть нормально к поверхности: .

    2015-01-29

    262.48 KB

    6 чел.

    Поделитесь работой в социальных сетях

    Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

    Проводники в электрическом поле

    План лекции

    1.  Проводники: определение, проводимость, распределение заряда в проводнике в отсутствие внешних электрических полей.
    2.  Напряженность поля вблизи поверхности проводника; механизм образования поля на поверхности проводника; потенциал проводника; зависимость плотности распределения заряда от кривизны поверхности проводника.
    3.  Распределение заряда по проводнику в электростатическом поле; электрическая индукция; электростатическая защита.
    4.  Электроёмкость. Конденсаторы.
    5.  Энергия заряженного проводника. Энергия заряженного конденсатора.

    1. Внутри проводника при электростатическом равновесии электрическое поле отсутствует:

    По теоремe   Гаусса:

    при  тогда

    2. Электрическое поле возле самой поверхности проводника должно быть нормально к поверхности: . Касательной составляющей быть не может:  . Если бы она была, электроны двигались бы, и перераспределение заряда продолжалось бы.

        В случае равновесия зарядов поверхность эквипотенциальна:  .

        Если взять однородно заряженную сферу и произвольную точку внутри P. Конус от P к поверхности сферы и симметричный конус:

    и  — расстояния от P до элементов площадей, тогда получаем подобные треугольники:

        Так как сфера заряжена равномерно, то заряд на каждой из площадок пропорционален площади данной площадки:

        Выделим на поверхности проводника элемент поверхности  и построим прямой цилиндр, пересекающий эту поверхность. Применим к этому цилиндру теорему Гаусса:

    — вся поверхность цилиндра; — вся поверхность цилиндра;

        Поток через верхнюю часть цилиндра равен потоку через основание цилиндра:

    Напряженность поля на поверхности замкнутого проводника:

    Напряженность поля заряженной плоскости:

    3. Рассмотрим участок поверхности проводника :

    Напряженность поля вблизи поверхности проводника состоит из двух частей:  — создаваемое зарядами  и  — создаваемое всеми остальными зарядами поверхности:

        Напряженность поля вблизи поверхности проводника направлена по нормали к поверхности и равна:

        Поверхность проводников эквипотенциальна:

    4. Из равенства нулю напряженности  поля внутри проводника следует, что во всех точках проводника потенциал имеет одно и тоже значение:

    Потенциал проводника, считая, что точка (2) находится на бесконечности, получаем:

        Электроёмкостью проводника называется отношение заряда уединенного проводника к его потенциалу:

    Электроёмкость Земного шара составляет:

    Электроёмкость конденсатора:

     — разность потенциалов между обкладками конденсатора (U – напряжение).

    Напряженность поля между обкладками конденсатора:

    5. 1) Энергия заряженного проводника.

    Взаимная потенциальная энергия двух зарядов:

    Энергия взаимодействия системы зарядов:

    — потенциал, создаваемый всеми зарядами , кроме , в той точке, где помещается .

    Энергия заряженного проводника:

    2) Энергия заряженного конденсатора.

          Потенциал обкладки с

    3) Энергия электрического поля:

    — заряд, создающий поле;

    — емкость проводника, создающего поле;

    Источник: http://refleader.ru/ujgmermerujg.html

    Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Поляризация диэлектриков :: Класс!ная физика

    Электростатическое поле — эл.поле, образованное неподвижными электрическими зарядами.

    Свободные электроны — электроны, способные свободно перемещаться внутри проводника ( в основном в металлах) под действием эл. поля;

    Свободные электроны возникают при образовании металлов: электроны с внешних оболочек атомов утрачивают связи с ядрами и начинают принадлежать всему проводнику;

    — участвуют в тепловом движении и могут свободно перемещаться по всему проводнику.

    Электростатическое поле внутри проводника
    — внутри проводника электростатического поля нет ( Е = 0 ), что справедливо для заряженного проводника и для незаряженного проводника, внесенного во внешнее электростатическое поле.

    Почему?

    — т.к. существует явление электростатической индукции, т.е.

    явление разделения зарядов в проводнике, внесенном в электростатическое поле ( Евнешнее) с образованием нового электростатического поля ( Евнутр.) внутри проводника.

    Внутри проводника оба поля ( Евнешн. и Евнутр.) компенсируют друг друга, тогда внутри проводника Е = 0.

    Заряды можно разделить:


    Электростатическая защита

    — металл. экран, внутри которого Е = 0, т.к. весь заряд будет сосредоточен на поверхности проводника.

    Электрический заряд проводников
    — весь статический заряд проводника расположен на его поверхности, внутри проводника q = 0;

    — справедливо для заряженных и незаряженных проводников в эл.поле.

    Линии напряженности эл.поля в любой точке поверхности проводника перпендикулярны этой поверхности.

    ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

    Внутри диэлектрика может существовать электрическое поле!

    Электрические свойства нейтральных атомов и молекул:

    Нейтральный атом

    -положительный заряд ( ядро) сосредоточен в центре; — отрицательный заряд — электронная оболочка; считается, что из-за большой скорости движения электронов по орбитам центр распределения отрицательного заряда совпадает с центром атома.

    Молекула — чаще всего — это система ионов с зарядами противоположных знаков ,

    т.к. внешние электроны слабо связаны с ядрами и могут переходить к другим атомам.

    Электрический диполь — молекула, в целом нейтральная , но центры распределения

    противоположных по знаку зарядов разнесены; рассматривается, как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся внутри молекулы на некотором расстоянии друг от друга.

    Существуют 2 вида диэлектриков ( различаются строением молекул) :

    1) полярные — молекулы, у которых центры положительного и отрицательного зарядов

    не совпадают ( спирты, вода и др.);

    2) неполярные — атомы и молекулы, у которых центры распределения зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, полиэтилен и др.).

    ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

    — смещение положительного и отрицательного зарядов в противоположные стороны, т.е.ориентация молекул.

    Поляризация полярных диэлектриков Диэлектрик вне эл.поля — в результате теплового движения электрические диполи ориентированы беспорядочно на поверхности и внутри диэлектрика. q = 0 и Eвнутр = 0

    Диэлектрик в однородном эл.поле — на диполи действуют силы, создают моменты сил и поворачивают диполи вдоль силовых линий эл.поля.

    НО ориентация диполей — только частичная, т.к. мешает тепловое движение.

    На поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, а внутри диэлектрика заряды диполей компенсируют друг друга. Таким образом, средний связанный заряд диэлектрика = 0.

    Поляризация неполярных диэлектриков — тоже поляризуются в эл.поле: положительные и отрицательные заряды молекул смещаются,

    центры распределения зарядов перестают совпадать (как диполи), на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд, а внутри эл.поле лишь ослабляется.

    Ослабление поля зависит от свойств диэлектрика.

    Другие страницы по теме «Электричество» за 10-11 класс:

    Эл. заряд.Электризация. Закон сохранения эл.заряда. Закон Кулона. Единица эл.заряда.

    Близкодействие и дальнодействие. Эл.поле. Напряженность эл.поля. Принцип суперпозиции полей. Силовые линии эл.поля.
    Проводники и диэлектрики в эл/статическом поле. Поляризация диэлектриков.
    Потенциальная энергия тела в эл.ст. поле. Потенциал эл.ст. поля и разность потенциалов. Связь между напряженностью эл.ст.поля и разхностью потенциалов.
    Электроемкость. Конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора.
    Электрический ток. Сила тока. Условия, необходимые для существования эл. тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление.
    Работа и мощность тока.
    Электронная проводимость металлов. Зависимость сопротивления проводника от температуры.Сверхпроводимость.
    Электрический ток в полупроводниках. Р-n переход. Полупроводниковые приборы.
    Электрический ток в вакууме. Вакуумный диод. Электронно-лучевая трубка.
    Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза.
    Электрический ток в газах.
    Контрольные вопросы к зачету по теме: Электрический ток в различных средах.

    Вспомни «Электричество» из 8 класса:

    Два рода зарядов. Электроскоп.
    Проводники и диэлектрики.

    Электрическое поле.
    Источники тока.
    Электрические цепи.
    Действия электрического тока.
    Сила тока.
    Напряжение.
    Измерения силы тока и напряжения.
    Электрическое сопротивление.
    Закон Ома для участка цепи.
    Соединение проводников.
    Работа и мощность электрического тока.
    Короткое замыкание. Предохранители.

    Смотри еще страницы по теме «Электричество»:

    А вы об этом знаете?
    Легенды об янтаре
    «Круглая» загадка
    Звезды Диоскуров
    Огни святого Эльма
    О полярных сияниях
    Электризатор в сутане
    Чудо природы-шаровая молния
    Жизнь среди молний
    Изобретение лейденской банки
    Изобретатель громоотводов Б.Франклин
    Гальвани-воскреситель из мертвых
    А.Вольта и монеты во рту
    «Лошадиная» авария
    Электрические фонтаны Гастона Планте

    Источник: http://class-fizika.narod.ru/10_3.htm

    Ссылка на основную публикацию