незаряженный проводник внесен в электрическое поле

Незаряженный проводник внесен в электрическое поле

При внесении незаряженного проводника в электрическое поле носители заряда приходят в движение: положительные в направлении вектора Е, отрицательные — в противоположную сторону. В результате у концов проводника возникают заряды противоположного знака, называемые индуцированными зарядами (рис. 25.1; пунктиром показаны линии напряженности внешнего поля). Поле этих зарядов направлено противоположно внешнему полю. Следовательно, накапливание зарядов у концов проводника приводит к ослаблению в нем поля. Перераспределение носителей заряда происходит до тех пор, пока не будут выполнены условия (24.1) и (24.2), т. е. пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника перпендикулярными к его поверхности (см. рис. 25.1).

Таким образом, нейтральный проводник, внесенный в электрическое поле, разрывает часть линий напряженности — они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных.

Индуцированные заряды распределяются по внешней поверхности проводника. Если внутри проводника имеется полость, то при равновесном распределении индуцированных зарядов поле внутри нее равно нулю. На этом основывается электростатическая защита. Когда какой-то прибор хотят защитить от воздействия внешних полей, его окружают проводящим экраном. Внешнее поле компенсируется внутри экрана возникающими на его поверхности индуцированными зарядами. Подобный экран действует хорошо и в том случае, если его сделать не сплошным, а в виде густой сетки.

Источник

2.3. Проводники во внешнем электрическом поле

При внесении незаряженного проводника во внешнее электрическое поле свободные заряды начинают двигаться и через небольшое время приходят в равновесие. Создается стационарное распределение зарядов, при котором на одной стороне проводника образуется избыток отрицательных зарядов, а на другой — избыток положительных. Это явление называется электростатической индукцией (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Электростатическая индукция

Поле индуцированных (появившихся на поверхности проводника) зарядов полностью компенсирует внутри проводника внешнее поле. В противном случае внутри проводника происходило бы движение электри­ческих зарядов, и распределение не было бы стационарным. Итак, при равновесном состоянии суммарное поле (внешнее и индуцированных зарядов) внутри проводника равно нулю. Поэтому в отношении суммарного поля справедливы выводы, сделанные нами ранее для заряженных проводников в отсутствии внешнего поля.

В частности, электрическое поле будет отсутствовать во внутренней полости в материале проводника (рис. 2.6). На свойстве проводников экранировать внешние поля (не пропускать их внутрь области, окруженной проводником) основывается электростатическая защита от действия внешних электростатических полей (рис. 2.7).

Рис. 2.6. Появление индуцированных зарядов на поверхности проводника
при воздействии на него внешнего электрического поля

Рис. 2.7. Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю

Так, автомобиль является безопасным убежищем во время грозы, и не потому, что резина на колесах изолирует его от земли. Здесь мы должны быть благодарны теореме Остроградского — Гаусса. Однако следует подчеркнуть, что замкнутый полый проводник экранирует полость внутри себя только от внешних зарядов и полей. Если внести заряды внутрь полости, то там появится электрическое поле при том, что в самом проводнике поле, по-прежнему будет равно нулю.

Далее, суммарное поле вблизи проводника перпендикулярно его поверхности и равно

где — плотность индуцированных зарядов (мы предполагаем, что про­водник в целом не заряжен).

На практике приходится решать следующую задачу. Дано некоторое внешнее поле. В него вносится проводник заданной формы. Надо найти распределение индуцированных на нем зарядов и те изменения суммарного поля вне проводника, к которым они приводят. Плотность зарядов при заданном потенциале проводника определяется кривизной поверхности: растет с увеличением положительной кривизны (выпуклости) и убывает с увеличением отрицательной кривизны (вогнутости) (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Электрическое поле (силовые линии и эквипотенциальные поверхности)
незаряженной сферы вблизи точечного электрического заряда

Задача. Дана сферическая металлическая оболочка с внутренним и внешним радиусами и соответственно. В центр полости помещен заряд . Найти электрическое поле и потенциал системы, а также распределение зарядов на поверхности оболочки (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Электрическое поле положительного заряда окруженного металлической оболочкой

Нам осталось найти потенциал поля в различных точках системы. Вне оболочки потенциал совпадает с потенциалом точечного заряда: На внешней поверхности оболочки потенциал ра­вен Поскольку внутри оболочки поля нет, потенциал сохраняет это значение во всех точках внутри металла. Вну­три полости потенциал опять совпадает с потенциалом точечного за­ряда. Поскольку последний определен с точностью до константы, имеем Значение этого потенциала на внутренней поверхности оболочки должно совпасть со значением потенциала на внешней оболочке. Отсюда можно найти постоянную

Графики зависимости напряженности поля и потенциала представлены на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Напряженность и потенциал электрического поля заряда q,
окруженного металлической оболочкой с внутренним радиусом и внешним радиусом
Пунктирные линии соответствуют характеристикам поля одиночного заряда в отсутствие оболочки

Дополнительная информация

Источник

6. Проводник в электрическом поле

Если незаряженный изолированный проводник внести в электрическое поле, то в результате действия электрических сил поля в проводнике происходит разделение электрических зарядов. На фиг. 12 показан положительно заряженный металлический шар А, в поле которого внесен проводник Б. Свободные электроны проводника придут в движение в направлении, противоположном направлению электрического поля. В результате на конце проводника, обращенном к заряженному шару, окажется избыток электронов, обусловливающий отрицательный заряд этого конца, а на другом конце проводника окажется недостаток электронов, обусловливающий положительный заряд этой части проводника.

Разделение зарядов на проводнике под влиянием заряженного тела называется электризацией через влияние или электростатической индукцией, а заряды на проводнике — индуцированными зарядами. По мере приближения проводника Б к заряженному шару А количество индуцированных зарядов на проводнике увеличивается. Электрическое поле заряженного шара А изменяется, как только в нем

окажется проводник Б. Элек-

трические силовые линии шара А, расходившиеся ранее равномерно и радиально, теперь изогнутся в сторону проводника. Так как началами и концами электрических силовых линий являются электрические заряды, лежащие на поверхности проводников, то, начинаясь у поверхности с положительными зарядами, силовая линия кончается у поверхности с отрицательными зарядами. Внутри проводника электрическое поле существовать не может.

В противном случае между отдельными точками проводника существовала бы разность потенциалов, в проводнике происходило бы движение зарядов (ток проводимости) до тех пор, пока вследствие перераспределения зарядов потенциалы всех точек проводника не стали бы равными.

Этим пользуются, когда хотят оградить проводник от влияния внешних электрических полей. Для этого проводник окружают другим проводником, выполненным в виде сплошной металлической поверхности или проволочной сетки с мелкими отверстиями. Индуцированные заряды, образовавшиеся на проводнике в результате влияния на него заряженного поля, можно отделить один от другого, если разломить проводник пополам.

Проводник, попав в электрическое поле заряженного металлического тела, в свою очередь оказывает влияние на распределение частиц заряда на этом теле, заставляя большую часть заряда наэлектризованного тела скапливаться на стороне, обращенной к проводнику.

Если проводник вынести из электрического поля, то индуцированные заряды на нем пропадают и проводник снова становится незаряженным.

Источник

Незаряженный проводник внесен в электрическое поле

Изменится ли электрическое поле, если внести в него заряженный шарик? незаряженный шарик?

В металлах носителями свободных зарядов являются электроны.
При образовании кристаллической решётки металла электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со своими атомами и становятся «собственностью» всего проводника в целом.
В результате образовавшиеся положительно заряженные ионы оказываются окружёнными отрицательно заряженным «газом», образованным коллективизированными электронами.

Свободные электроны участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по металлу в любом направлении.

Заряженные частицы, способные свободно перемещаться в проводнике под влиянием электрического поля, называются свободными зарядами.

Электростатическое поле внутри проводника.

Наличие в проводнике свободных зарядов приводит к тому, что даже при наличии внешнего электрического поля внутри проводника напряжённость поля равна нулю.
Если бы напряжённость 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 справедливо как для заряженного проводника, так и для незаряженного, помещённого во внешнее электростатическое поле.

На примере незаряженной проводящей пластины (проводника), внесённой в однородное поле, выясним, в результате какого процесса напряжённость электростатического поля внутри проводника оказывается равной нулю (рис. 14.21).
Силовые линии поля изображены сплошными линиями.

В первый момент (при внесении пластины в поле) возникает электрический ток.
Под действием электрического поля электроны пластины начинают перемещаться справа налево.
Левая сторона пластины заряжается отрицательно, а правая — положительно (см. рис. 14.21).

В этом состоит явление электростатической индукции. (Если, не убирая пластину из поля, разделить её пополам вдоль линии NN (см. рис. 14.21), то обе половины окажутся заряженными.)

Явление разделения зарядов и их распределение по поверхности проводника во внешнем электрическом поле называют электростатической индукцией.

Электростатического поля внутри проводника нет.
На этом факте основана электростатическая защита.
Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их помещают в металлические ящики.

Появившиеся заряды создают своё поле (линии напряжённости этого поля показаны на рисунке 14.21 штриховыми прямыми), которое накладывается на внешнее поле и компенсирует его.
За ничтожно малое время заряды перераспределяются так, что напряжённость результирующего поля внутри пластины становится равной нулю и движение зарядов прекращается.

Силовые линии электростатического поля вне проводника в непосредственной близости к его поверхности перпендикулярны поверхности.

Докажем это.
Предположим, что какая-то силовая линия не перпендикулярна поверхности проводника (рис. 14.22).
Это означает, что касательная составляющая вектора напряжённости электрического поля не равна нулю.

Следовательно, на свободные заряды действует сила, перемещающая их по поверхности проводника.
Это перемещение будет происходить до тех пор, пока все силовые линии не станут перпендикулярными поверхности проводника.

Электрический заряд проводников.

Внутри проводника при равновесии зарядов не только напряжённость поля 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 электростатического поля внутри проводника нет.
Следовательно, заряды в проводнике могут располагаться только на его поверхности.

Этот вывод справедлив как для незаряженных проводников в электрическом поле, так и для заряженных.

Источник

Незаряженный проводник внесен в электрическое поле

53. ПРОВОДНИК И ДИЭЛЕКТРИК В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Если незаряженный изолированный проводник внести в электрическое поле, то в результате действия электрических сил поля в проводнике происходит разделение электрических зарядов. Свободные электроны проводника придут в движение в направлении, противоположном направлению электрического поля. В результате на конце проводника, обращенном к заряженному шару, окажется избыток электронов, обусловливающий отрицательный заряд этого конца, а на другом конце проводника окажется недостаток электронов, обусловливающий положительный заряд этой части проводника.

Разделение зарядов на проводнике под влиянием заряженного тела называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией, а заряды на проводнике – индуцированными зарядами. По мере приближения проводника к заряженному шару количество индуцированных зарядов на проводнике увеличивается. Электрическое поле заряженного шара изменяется, как только в нем окажется проводник. Электрические силовые линии шара, расходившиеся ранее равномерно и радикально, теперь изогнутся в сторону проводника. Так как началами и концами электрических силовых линий являются электрические заряды, лежащие на поверхности проводников, то, начинаясь у поверхности с положительными зарядами, силовая линия кончается у поверхности с отрицательными зарядами. Внутри проводника электрическое поле существовать не может. В противном случае между отдельными точками проводника существовала бы разность потенциалов, в проводнике происходило бы движение зарядов (ток проводимости) и до тех пор, пока вследствие перераспределения зарядов потенциалы всех точек проводника не стали бы равными.

Этим пользуются, кода хотят оградить проводник от влияния внешних электрических полей. Для этого проводник окружают другим проводником, выполненным в виде сплошной металлической поверхности или проволочной сетки с мелкими отверстиями. Индуцированные заряды, образовавшиеся на проводнике в результате влияния на него заряженного поля, можно отделить один от другого, если разломить проводник пополам.

Диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов. Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.

Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разность. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах одной молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате влияния заряженного тела на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды. Это явление называется поляризациейдиэлектрика. Различают диэлектрики двух классов. 1. Молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется. Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь. 2. Молекулы и в отсутствии электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называют полярными.

Необходимость правильного выбора величины напряженности электрического поля в диэлектрике привела к созданию теории электрической прочности, имеющей важное значение для современной техники высоких напряжений.

Источник