Свойства проводников
Наиболее характерным проводником является чистый металл: медь, железо, серебро и другие. В первом приближении металл логично представлять как упорядоченную (кристаллическую) решетку тяжелых ионов, погруженную в идеальный газ свободных электронов. Число свободных электронов очень велико — порядка 1022 частиц в 1 см3 — и строго равно суммарному заряду ионов решетки. Поэтому металл остается в целом электрически нейтральным.
При помещении проводника во внешнее электростатическое поле под действием этого поля происходит мгновенное перемещение свободных зарядов — электронов — против направления поля. Перемещение зарядов продолжается до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в нуль.
Силы электрического взаимодействия с решеткой не позволяют электронам покинуть металл, поэтому происходит лишь небольшое смещение отрицательных зарядов относительно решетки — на величину порядка нескольких ангстрем
(1 А =10-4 мкм). В результате на поверхности проводника образуется избыток (недостаток) отрицательного заряда (рис. 1).
Внутри же проводника по-прежнему суммарный электрический заряд в каждом элементарном объеме остается равным нулю. На поверхности проводника из-за смещения электронов образуется избыточный заряд, создающий электростатическое поле, направленное против внешнего, т.е. экранирующий внешнее поле. Свободные электроны упорядочение перемещаются до тех пор, пока экранирующее поле не компенсирует внешнее поле. В результате напряженность суммарного электростатического поля в объеме проводника становится равной нулю и внешнее поле не проникает в проводник (рис. 1).
Отсутствие поля внутри проводника означает, что потенциал во всех точках внутри проводника постоянен: φ = const. Следовательно, поверхность проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной. Из этого следует, что вектор напряженности поля на внешней поверхности проводника направлен по нормали в каждой точке его поверхности.
Если проводнику сообщить некоторый заряд Q, то некомпенсированные заряды располагаются только на поверхности проводника. На поверхности незаряженного проводника потенциал равен нулю, а если проводнику сообщить заряд, то последний распределяется на его поверхности, создавая отличный от нуля потенциал, одинаковый на всей поверхности проводника.
Найдем взаимосвязь между напряженностью электростатического поля Евблизи поверхности заряженного проводника и поверхностной плотностью σ зарядов на его внешней поверхности. Для этого применим теорему Гаусса к бесконечно малому цилиндру с основанием S, пересекающему границу проводник-диэлектрик, причем ось этого цилиндра направлена вдоль вектора Е(рис. 2).
Поток вектора электрического смещения D =ε0εЕ сквозь замкнутую цилиндрическую поверхность определяется только лотком сквозь наружное основание цилиндра:
так как внутри проводника напряженность электрического поля, а следовательно, и вектор электрического смещения, равны нулю. Отсюда получаем, что
где а — поверхностная плотность заряда. Или
где ε — диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник.
Формула (2) дает искомую взаимосвязь: напряженность электрического поля у поверхности проводника определяется поверхностной плотностью зарядов.
Во внешнем электростатическом поле в весьма малой области вблизи поверхности проводника возникает избыток или недостаток свободных электронов, т.е. появляется так называемый поверхностный индуцированный заряд.
Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией. Силовые линии внешнего поля перпендикулярны к поверхности проводника и поэтому терпят разрыв: они заканчиваются на отрицательных зарядах и вновь начитаются на положительных (см. например, рис. 1).
Таким образом, внешнее поле не проникает в проводник и можно говорить о частичном "обтекании" электрическим полем проводящих тел.
На рисунке 3 показано частичное обтекание внешним однородным электрическим полем незаряженного металлического шара. На рисунке 3 показаны силовые линии поля (сплошные линии), эквипотенциальные поверхности (пунктирные линии) и заряд, индуцированный на поверхности шара.
Поскольку внешнее электростатическое поле не проникает в объем проводника, то на границе полости произвольной формы, созданной в объеме проводника, не возникает индуцированного заряда. Таким образом, проводник во внешнем поле играет роль экранирующей поверхности. На этом свойстве проводников основан принцип электростатической защиты.
Дата добавления: 2015-08-11; просмотров: 1403;