Провідники і діелектрики в електричному полі

Особливості внутрішньої будови провідників

Будь-яка речовина складається з молекул, атомів або йонів, які, у свою чергу, містять заряджені частинки. Тому, якщо тіло помістити в електричне поле, це спричинить певні зміни в речовині, з якої тіло виготовлено. Зрозуміло, що ці зміни залежать від властивостей самої речовини. За електричними властивостями речовини розділяють на провідники, діелектрики, напівпровідники. Провідники — це речовини, здатні проводити електричний струм. Будь-який провідник містить заряджені частинки, що можуть вільно пересуватися. Типові представники провідників — метали. Нагадаємо: внутрішня структура металів являє собою утворену позитивно зарядженими йонами кристалічну ґратку, яка перебуває в «газі» вільних електронів. Саме наявність вільних електронів зумовлює провідні властивості металів. Провідниками також є електроліти, а за деяких умов — і гази. В електролітах вільними зарядженими частинками є позитивні й негативні йони, а в газах ще й електрони.

Електростатичні властивості провідників

Властивість 1. Напруженість електростатичного поля всередині провідника дорівнює нулю. Помістимо металевий провідник в електростатичне поле (рис. 43.1).

Під дією поля рух вільних електронів стане напрямленим. Якщо електричне поле не надто велике, то електрони не можуть залишити провідник і накопичуються в певній області його поверхні, — ця область поверхні провідника набуває негативного заряду; протилежна — позитивного (його створюють позитивні йони, що там залишилися). Таким чином, на поверхні провідника з’являються наведені (індуковані) електричні заряди, при цьому сумарний заряд провідника залишається незмінним (рис. 43.2).

Явище перерозподілу електричних зарядів у провіднику, поміщеному в електростатичне поле, у  результаті чого на поверхні провідника виникають електричні заряди, називають явищем електростатичної індукції.

Індуковані заряди, що виникли, створюють власне електричне поле напружені стю E′, яка напрямлена в бік, протилежний напруженості E₀ зовнішнього поля (рис. 43.3). Процес перерозподілу зарядів у провіднику триватиме до моменту, коли створюване індукованими зарядами поле всередині провідника повністю компенсує зовнішнє поле. За дуже малий інтервал часу напруженість E=E₀+E′ результуючого поля всередині провідника дорівнюватиме нулю.

Властивість 2. Поверхня провідника є еквіпотенціальною. Це твердження є прямим наслідком зв’язку між напруженістю поля і різницею потенціалів: . Якщо напруженість поля всередині провідника дорівнює нулю, то різниця потенціалів також дорівнює нулю, тому потенціали в усіх точках провідника є однаковими.

Властивість 3. Увесь статичний заряд провідника зосереджений на його поверхні. Ця властивість є наслідком закону Кулона і властивості однойменних зарядів відштовхуватися.

Властивість 4. Вектор напруженості електростатичного поля є перпендикулярним до поверхні провідника (рис. 43.4).

Властивість 5. Електричні заряди розподіляються по поверхні провідника так, що напруженість електростатичного поля провідника виявляється більшою на виступах провідника і меншою на його западинах (рис. 43.5)

Застосування електростатичних властивостей провідників

Наведемо деякі приклади використання розглянутих електростатичних властивостей провідників.

Електростатичний захист. Іноді виникає необхідність ізолювати від впливу зовнішніх електричних полів деякі прилади. Очевидно, що для цього їх необхідно помістити всередину металевого корпусу, оскільки зовнішнє електричне поле викликає появу індукованих зарядів тільки на поверхні провідника, а поле всередині провідника відсутнє (рис. 43.6). Аналогічний ефект досягається, якщо суцільну провідну оболонку замінити металевою сіткою з дрібними гніздами: електричне поле проникає за сітку лише на глибину порядку розмірів гнізда сітки.

Заземлення. Щоб розрядити невелике заряджене тіло, його необхідно з’єднати провідником із тілом більших розмірів, адже на тілі більших розмірів накопичується більший електричний заряд. Часто як тіло великих розмірів використовують усю земну кулю: прилади, на яких не повинен збиратись електричний заряд, «заземлюють» — приєднують до масивного провідника, закопаного в землю.

Особливості внутрішньої будови діелектриків

Діелектриками називають речовини, які погано проводять електричний струм: за звичайних умов в них практично відсутні заряди, що можуть вільно пересуватися. Залежно від хімічної будови діелектрики поділяють на три групи.

Внесення діелектрика в зовнішнє електростатичне поле спричиняє поляризацію діелектрика. У процесі поляризації неполярних діелектриків виявляється електронний (деформаційний) механізм. Під дією зовнішнього електростатичного поля молекули неполярних діелектриків поляризуються: позитивні заряди зміщуються в напрямку вектора напруженості E₀ цього поля, а негативні — у протилежному напрямку (рис. 43.8, а). Зрештою молекули перетворюються на електричні диполі, розташовані ланцюжками вздовж силових ліній зовнішнього поля. У результаті на поверхнях AB і CD з’являються нескомпенсовані зв’язані заряди протилежних знаків, що утворюють своє поле, напруженість E′ якого напрямлена назустріч напруженості E₀ зовнішнього поля (рис. 43.8, б).

У процесі поляризації полярних діелектриків виникає орієнтаційна поляризація. Під дією зовнішнього електричного поля дипольні молекули діелектрика намагаються повернутися так, щоб їхні осі були розташовані вздовж силових ліній поля. Проте тепловий рух молекул перешкоджає цьому процесу. Тому виникає лише часткове впорядкування дипольних молекул (рис. 43.9).

Наявність упорядкування в розташуванні молекул є причиною того, що на поверхнях AB і CD з’являються нескомпенсовані зв’язані заряди протилежних знаків. Ці заряди утворюють своє поле напруженістю E′, напрямок якої протилежний напрямку напруженості E₀ зовнішнього поля. Зауважимо, що в полярних діелектриках наявний і електронний механізм поляризації, тобто внаслідок дії електричного поля відбувається зсув зарядів у молекулах. Однак ефект орієнтації на кілька порядків перевершує електронний ефект, тому останнім часто нехтують.

У процесі поляризації йонних діелектриків спостерігається йонна поляризація. Унаслідок дії зовнішнього поля йони різних знаків, що складають дві підґратки, зміщуються в протилежних напрямках, від чого на гранях кристала з’являються нескомпенсовані зв’язані заряди, тобто кристал поляризується. Слід підкреслити, що йонна поляризація в чистому вигляді не спостерігається, — її завжди супроводжує електронна поляризація.

Як діелектрик впливає на електростатичне поле

Розглядаючи різні механізми поляризації діелектриків, ви дізналися, що внесення діелектрика в зовнішнє електростатичне поле спричиняє появу зв’язаних зарядів на його поверхні. Зв’язані заряди створюють електричне поле напруженістю E′, яка всередині діелектрика напрямлена протилежно вектору напруженості E₀ зовнішнього поля. Через це поле всередині діелектрика слабшає. У результаті напруженість E результуючого поля всередині діелектрика виявляється за модулем меншою, ніж напруженість E₀ зовнішнього поля: E=E₀−E′. Зменшення модуля напруженості E електростатичного поля в речовині порівняно з модулем напруженості E₀ електростатичного поля у вакуумі характеризується фізичною величиною, яку називають діелектрична проникність ε речовини:

Діелектричні проникності різних речовин можуть відрізнятися в десятки разів. Так, діелектрична проникність газів близька до одиниці, рідких і твердих неполярних діелектриків — до кількох одиниць, полярних діелектриків — до кількох десятків одиниць (для води ε = 81 ). Є речовини (їх називають сегнетоелектриками), діелектрична проникність яких становить значення порядку десятків і сотень тисяч.

Зменшення напруженості електричного поля в діелектрику в ε разів порівняно з напруженістю поля у вакуумі спричиняє те саме зменшення сили електростатичної взаємодії. Тому закон Кулона для випадку взаємодії двох електричних зарядів, які мають значення q₁ і q₂ і розташовані в діелектрику на відстані r один від одного, має вигляд:

Запишіть формули для визначення потенціалу ϕ і модуля напруженості E поля, створеного точковим зарядом Q, розташованим у діелектрику.

Чому незаряджені тіла притягуються до заряджених тіл?

Незаряджена гільза з фольги висить на шовковій нитці. До неї наближають заряджену паличку. Опишіть і поясніть подальшу «поведінку» гільзи.

Дві маленькі кульки, заряди яких однакові за модулем, перебуваючи в трансформаторному мастилі на відстані 50 см одна від одної, взаємодіють із силою 2,2 мН. Визначте модуль заряду кожної кульки. Діелектрична проникність трансформаторного мастила 2,2.