5.1. Проводники в электрическом поле.
Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы. В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают не скомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.
Индукционные заряды создают свое собственное поле E1, которое компенсирует внешнее поле E0 во всем объеме проводника:
E = E0 + E1 = 0 (5.1.)
(внутри проводника).
Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.
Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электро нейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника (полость), то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – для исключения влияния поля предметы помещают в металлические ящики. Поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней. Если проводнику сообщить заряд Q, то не скомпенсированные заряды располагаются только на поверхности проводника. Найдем взаимосвязь между напряженностью Е поля вблизи поверхности заряженного проводника и поверхностной плотностью s зарядов на его поверхности. Для этого применим теорему Гаусса к цилиндру с основаниями DS, пересекающему границу проводник-диэлектрик. Ось цилиндра ориентированна вдоль вектора Е. Поток вектора электрического смещения через внутреннюю часть цилиндрической поверхности равен нулю, так как внутри проводника Е1 = 0 (5.2.)
(т.е. и D1 = 0), поэтому поток вектора D сквозь замкнутую цилиндрическую поверхность определяется только потоком сквозь наружное основание цилиндра. Согласно теореме Гаусса, этот поток (DDS) равен сумме зарядов
Q = sDS, (5.3.)
охватываемых поверхностью:
DDS = sDS, (5.4.)
т.е.
D = s (5.5.)
или E = s/(e0e) , (5.6.)
где e - диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник. Следовательно, напряженность электростатического поля у поверхности проводника определяется поверхностной плотностью зарядов. Если во внешнее электростатическое поле внести нейтральный проводник, то свободные заряды будут перемещаться. На одном конце проводника будет скапливаться избыток положительного заряда, на другом — избыток отрицательного. Эти заряды называются индуцированными. Процесс будет происходить до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника и это явление называется электростатической индукцией. Так как в состоянии равновесия внутри проводника заряды отсутствуют, то создание внутри него полости не повлияет на конфигурацию расположения зарядов и на электростатическое поле. Следовательно, внутри полости поле будет отсутствовать. На этом основана электростатическая защита - экранирование тел.
|
Рис. 23. Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю. |
