Проводники в электростатическом поле

Проводники – вещества, хорошо проводящие электрический ток. В них электрические заряды могут свободно перемещаться по всему объему под действием внешнего электрического поля. К проводникам относятся металлы, электролиты и плазма. В металлах носителями зарядов являются свободные электроны проводимости, в электролитах – ионы, в плазме – свободные электроны и ионы.

Если металлический проводник внесен во внешнее электростатическое поле, то под действием этого поля электроны проводимости перераспределяются в проводнике таким образом, чтобы в любой точке внутри проводника электрическое поле электронов и положительных ионов скомпенсировало внешнее поле.

Перераспределение зарядов в проводнике под влиянием внешнего электростатического поля называется явлением электростатической индукции, а сами заряды, возникающие на концах проводника – индуцированными.

Перемещение зарядов будет продолжаться до тех пор, пока поле во всех точках внутри проводника не обратится в ноль: . Избыточные (нескомпенсированные) заряды располагаются только на поверхности проводника с некоторой плотностью σ.Т.к. внутри проводника , то

, следовательно .

Таким образом, область, занятая проводником является эквипотенциальной. Так как поверхность проводника эквипотенциальна, то непосредственно у этой поверхности поле Е направлено по нормали к ней в каждой точке, т.е.

, (1.5)

где σ– поверхностная плотность зарядов.

Так как поверхность заряженного проводника эквипотенциальна, то эквипотенциальные поверхности вблизи проводника приблизительно повторяют его форму, в то время как на больших удалениях от проводника они должны иметь сферическую форму, подобно полю точечного заряда. Это означает, что потенциал поля, создаваемого заряженным проводником, вблизи участков поверхности, имеющих малый радиус кривизны R (вблизи острия), изменяется быстрее, чем вблизи участков с большим радиусом кривизны, а тем более вблизи впадин на поверхности (участков с отрицательным R < 0). Значит, gradφ, а следовательно, и Е поля имеют большие значения вблизи острия проводника и меньшие вблизи впадин (Е= – gradφ). Поэтому в соответствии с формулой (1.5) σ на проводнике больше в области острия и меньше в области впадин, т.е. заряд на поверхности проводника распределяется неравномерно в соответствии с формой его поверхности. Это приводит к «стеканию» зарядов с металлического острия («электрический ветер»). Для предотвращения стекания зарядов у всех приборов и машин, работающих под высоким напряжением металлические части делают закругленными, а концы металлических стержней снабжены шариками.