Провідники в електростатичному полі

Вільні заряди. 3

Електростатичне поле усередині провідника. 3

Електричний заряд провідників. 4

Електричне поле в провіднику стоком. 5

Електричне поле всередині провідника з током..5

Електричне поле поза провідника. 6

Стаціонарне електричне поле. 6

Вільні заряди. У провідниках, до яких в першу чергу відносяться метали, є заряджені частинки, здатні переміщатися всередині провідників під впливом електричного поля. З цієї причини заряди цих частинок називають вільними зарядами.

В металах носіями вільних зарядів є електрони. При утворенні металу з нейтральних атомів, атоми починають взаємодіяти один з одним. Завдяки цьому взаємодії, електрони зовнішніх оболонок атомів повністю втрачають зв'язку зі "своїми" атомами і стають "власністю" всього провідника в цілому. В результаті позитивно заряджені іони виявляються оточеними негативнозарядженим "газом", який утворений колективізованими електронами. Цей газ заповнює проміжки між іонами і стягує їх кулоновскими силами. Вільні електрони беруть участь в тепловому русі, подібно до молекул газу, і можуть переміщатися по шматку металу в будь-якому напрямку.

Електростатичне поле усередині провідника. Наявність в провіднику вільних зарядів призводить до того, що всередині провідника електростатичне поле дорівнює нулю. Якби напруженість електричного поля була відмінна від нуля, то поле призводило б вільні заряди в впорядкований рух, тобто в провіднику існував би електричний струм. Твердження про відсутність електростатичного поля всередині провідника в рівній мірі справедливо як для зарядженого провідника, так і для незарядженого, вміщеного у зовнішнє електростатичне поле. (Звичайно, окремі заряджені частинки - електрони і іони - створюють мікроскопічні поля. Але ці поля взаємно компенсують один одного, і середнє значення напруженості їх поля виявляється рівним нулю.)

На прикладі незарядженою пластини, внесеної в однорідне поле, з'ясуємо, в результаті якого процесу напруженість електростатичного поля всередині провідника виявляється рівною нулю. Під дією електричного поля електрони пластини починають переміщатися справа наліво. У перший момент (при внесенні провідника в поле) виникає електричний струм. Ліва частина пластини заряджається негативно, а права - позитивно. У цьому полягає явище електростатичної індукції. (Якщо розділити пластину навпіл, то обидві половини виявляться зарядженими.) З'явилися заряди створюють своє поле, яке накладається на зовнішнє поле і компенсує його. За мізерно малий час заряди перерозподіляються так, що напруженість результуючого поля всередині пластини стає рівною нулю, і рух зарядів припиняється. В іншому випадку в провіднику весь час протікав би струм, і виділялася теплота. Але відповідно до закону збереження енергії це неможливо.

Отже, електростатичного поля всередині провідника немає. На цьому заснована так звана електростатичний захист. Щоб захистити чутливі до електричного поля прилади, їх укладають в металеві ящики.

Силові лінії електростатичного поля поза провідника перпендикулярні його поверхні. Якби це було не так, то була б складова напруженості поля уздовж поверхні провідника, і по поверхні протікав би електричний струм.

Електричний заряд провідників. У разі рівноваги зарядів не тільки напруженість поля всередині провідника дорівнює нулю, дорівнює нулю і заряд. Весь статичний заряд провідника зосереджений на його поверхні. Справді, якби всередині провідника був заряд, то поблизу заряду було б і поле. Але електричного поля всередині провідника немає. Отже, заряди в провіднику можуть розташовуватися тільки на його поверхні.

Відсутність заряду всередині провідника можна виявити за допомогою простих дослідів, наприклад, досвіду з циліндром з дротяної сітки. На поверхні циліндра приклеєні легкі листочки станіолю. Усередині циліндра на провідному рухомому стержні укріплені ще два листочка. Якщо повідомити циліндру заряд, наприклад, від електростатичного машини, листочки відхиляться на деякий кут, так як перетекшего на них заряд буде відштовхуватися від однойменного заряду циліндра або сусіднього листочка. Але якщо листочки на стрижні внести всередину циліндра, то вони не відхиляться, так як заряд на них дорівнює нулю.

Електричне поле в провіднику з струмом. Швидкість упорядкованого руху електронів мала: кілька сотих міліметра в секунду. Чому ж при такій малій швидкості електричний струм встановлюється майже відразу ж після замикання ланцюга довжиною в сотні кілометрів?

Впорядкований рух електронів викликається і підтримується електричним полем в провіднику. Отже, електричний струм може встановитися майже відразу по всьому ланцюгу тільки тому, що за дуже малий проміжок часу в усьому провіднику виникає електричне поле.

Електричне поле всередині провідника зі струмом. Провідникам з струмом можна надавати найрізноманітнішу форму. Провід можна намотати на котушку, зігнути під будь-яким кутом і т.д. При цьому за допомогою амперметра можна виявити, що сила струму в провіднику не залежить від його форми

Якщо не змінюється сила струму в провіднику, то згідно з формулою V = I / enS не змінюється і швидкість спрямованого руху електронів. У всіх перетинах провідника певного діаметру вона однакова. Але швидкість упорядкованого руху електронів залежить від сили, що діє на них, тобто від напруженості поля всередині провідника. Значить, напруженість поля у всіх перетинах провідника повинна бути однаковою по модулю і не мінятися при зміні форми провідника.

Лінії напруженості електричного поля на протязі всього провідника паралельні його поверхні. Вони не можуть пронизувати поверхню провідника і при будь-якій формі провідника повторюють все його вигини.

Якби лінії напруженості пронизували поверхню провідника, то вектор Е мав би складову, перпендикулярну поверхні провідника. Заряджені частинки рухалися б до поверхні і накопичувалися на ній до тих пір, поки створене цими зарядами полі не компенсувало нормальну до поверхні провідника складову вектора Е. Такий процес утворення зарядів на поверхні провідника дійсно відбувається в перший момент після замикання ланцюга. Ці заряди і створюють електричне поле всередині всього провідника.

Отже, електричне поле в провіднику з'являється в результаті того, що при замиканні ланцюга майже відразу ж на всій поверхні провідника виникає поверхневий заряд.

Процес встановлення електричного поля в провіднику нагадує процес встановлення перебігу води в трубі. Коли поршень насоса почне рухатися, то завдяки наявності стінок труби рідина сильно стискається, і імпульс тиску в ній поширюється по трубі зі швидкістю декількох сотень метрів в секунду. Тому майже відразу ж все частинки води в трубі приходять в рух під дією сил тиску. Швидкість же руху самих частинок води невелика: кілька десятків сантиметрів в секунду.

Електричне поле поза провідника. Заряди на поверхні провідника створюють електричне поле не тільки всередині, а й поза провідника. На відміну від внутрішнього поля, це зовнішнє поле має більш складну структуру. Воно залежить від форми провідника, розташування джерела струму, присутності поблизу провідника інших тіл.

Стаціонарне електричне поле. Електричне поле в провіднику з струмом створює рухомі заряди. При постійній силі струму електричне поле рухомих зарядів всередині і поза провідника не змінюється з часом, подібно електростатичного поля нерухомих зарядів. Таке поле називається стаціонарним. Поле не змінюється з часом внаслідок того, що поверхнева щільність зарядів, що створюють це поле, залишається незмінною. Заряди рухаються, але на місце пішов за час (t-t ') заряду на дану ділянку поверхні приходить точно такий же новий заряд.

Стаціонарне поле, як і електростатичне, є потенційним.