Лекция 7

Проводники в электростатическом поле

План:

1.Проводники и изоляторы

Практически с начала изучения электричества было замечено, что вещества отличаются по своей способности сохранять и передавать нечто электрическое. Одни из них (стекло, эбонит, бумага) можно наэлектризовывать достаточно легко и они способны удерживать заряд достаточно долго, но плохо передают его. Такие вещества называли изоляторами. Другие вещества электризуются особым образом. Например, с помощью электростатической индукции. И они хорошо переносят электрический заряд. Такие вещества назвали проводниками. Следует заметить, что различия в проводимости очень велики. Удельное сопротивление меди ρ=1,75·10^-8 Ом·м, а янтаря ρ≈10¹⁸ ÷10¹⁹ Ом·м. Тем не менее, в природе нет абсолютных проводников и абсолютных изоляторов. Одно и тоже вещество в зависимости от условий может быть как проводником, так и изолятором.

2.Классификация проводников

Эти вещества мы относим к проводникам, так как все они обладают свободными зарядами.

3.Поле и заряд внутри проводника

Внутри проводника поля нет - , а заряд распределён по поверхности проводника.

Таким образом,

Следовательно, чем меньше радиус кривизны, тем больше поверхностная плотность, следовательно, выше и напряжённость.

Напряжённость может стать столь большой, что наблюдается явление «истечения зарядов с острия» или «электрический ветер».

4.Напряжённость и потенциал проводника

Пусть есть какое-то электрическое поле, в которое поместили заряженную поверхность.

Таким образом, нормальная составляющая напряжённости электрического поля на заряженной поверхности испытывает скачок.

Т.е. касательная составляющая электрического поля на границе непрерывна. Последних два выражения называются граничными уровнями.

Выясним, как они изменяются, если одна из сред проводима.

Таким образом, поле всегда ⊥ поверхности проводника. Если напряжённость перпендикулярна поверхности проводника, то поверхность проводника это эквипотенциальная поверхность, а т.к. поля внутри проводника нет, то такой же потенциал и внутри ⇒ проводник представляет собой эквипотенциальный объём.

5.Теорема Фарадея

Закон 1: Заряд на внутренней поверхности проводника равен по модулю и противоположен по знаку заряду, помещённого внутри проводника.

Закон 2: Внешние заряды не создают поля внутри проводника.

Опираясь на первую теорему, был построен генератор Ван де Граафа, а вторая теорема обеспечивает действие электростатической защиты.

6.Метод зеркальных изображений

Суть метода заключается в следующем: какую-либо эквипотенциальную поверхность заменяют проводником той же формы, так чтобы конфигурация поля, в рассматриваемой области пространства, не изменилась или наоборот.

7.Электрическое поле Земли

8.Генератор Ван де Граафа

1– металлическая сфера; 2– изолирующие опоры; 3– лента из прорезиненной ткани; 4– Вращающиеся шкивы; 5– острие; 6- металлическая пластина; 7– острие; 8– источник.

9.Электростатическая защита

Вторая теорема Фарадея обеспечивает действие электростатической защиты.

Если сетку Кольбе замкнуть и накрыть сверху и снизу тоже сеткой, то получим устройство, которое называется клеткой Фарадея. Она располагается, конечно, на изолирующих подставках. Фарадей в 1836 г забрался внутрь клетки сам и захватил с собой электроизмерительные приборы. Клетка заряжалась от электростатической машины до очень высокого потенциала, однако внутри Фарадей не отмечал никакого поля.

Сейчас точные приборы тоже помещают в металлический кожух. Физики, использующие высоковольтные ускорители Ван де Граафа, также забираются со своими приборами внутрь. И хотя разность потенциалов достигает миллионов Вольт, им нечего бояться. Их охраняет сам Фарадей.

замечание: Следует отметить, что электростатическая защита не “экранирует” внешнее поле, а позволяет зарядам в проводнике перераспределиться и создать компенсирующее поле.