Электростатическая индукция в проводниках. Что такое электростатическая индукция

Действие электрического поля распро-страняется на все вещественные объекты: от макроскопических тел, с которыми мы име-ем дело в повседневной жизни, и до мель-чайших частиц, входящих в состав вещест-ва,— электронов, протонов, ионов. Собст-венно взаимодействие этих частичек с электрическим полем определяет электри-ческие свойства вещества в целом.

Электрические свойства физи-ческих тел определяются элект-ронами, протонами и ионами.

Рассмотрим взаимодействие электричес-кого поля с наиболее распространенным классом проводников — металлами.

Возьмем два металлических цилиндра и каждый из них соединим со стержнем за-земленного электрометра. Расположим цилин-дры между параллельными металлическими пластинами так, чтобы они, касаясь друг друга, образовывали единое тело (рис. 4.37) Как только пластинам сообщим заряды, стрелки электрометров отклонятся и засви-детельствуют появление зарядов на цилин-драх. Если разрядить пластины, то исчезнут заряды и на цилиндрах. Таким образом, возникновение зарядов на цилиндрах свя-зано с действием электрического поля.

Явление возникновения зарядов на провод-никах в электрическом поле называют элект-ростатической индукцией .

Электростатическая индукция открыта не-мецким физиком Й. К. Вильке в 1757 г.

Повторим предыдущий опыт, но после этого разъединим цилиндры и разрядим пла-стины. Электрометры покажут наличие за-рядов у каждого из цилиндров (рис. 4.38). Исследование зарядов на цилиндрах с по-мощью эбонитовой палочки, потертой ме-хом, покажет, что цилиндры заряжены раз-ноименно.

Явление электростатической индукции можно объяснить на основании электрон-ных представлений.

Металлический проводник имеет крис-таллическую структуру. В узлах кристалли-ческой решетки находятся положительные ионы металла, а между ними — электрон-ный газ. Это — совокупность большого ко-личества электронов, практически не свя-занных с атомами и пребывающих в не-прерывном тепловом движении.

В незаряженном теле общий заряд элект-ронов равняется заряду всех ионов. Поэто-му в обычных условиях каждый проводник электрически нейтральный.

Если внесем проводник в электрическое поле между двумя разноименно заряженными пластинами, то под действием электричес-кого поля свободные электроны сместятся, а положительные ионы останутся в предыду-щем положении. На одном конце проводника будет излишек электронов, а на другом — их недостаток (рис. 4.39). Разделенные заряжен-ные частицы будут иметь собственное элект-рическое поле, напряженность которого E’ будет иметь направление, противоположное направлению напряженности поля заряжен-ных пластин. Модуль напряженности «внутреннего» поля E’ будет равняться модулю напряженности внешнего поля E 0 . В соот-ветствии с принципом суперпозиции суммар-ная напряженность электрического поля внут-ри проводника будет равняться нулю:

E 0 — Е ’ = 0.

Если проводник состоит из двух частей, как в описанном выше опыте, то их можно разделить и вынести из электрического поля. Одна часть будет иметь излишек электро-нов, а другая — излишек ионов. То есть, каж-дая часть проводника будет иметь электри-ческий заряд.

Подобное явление наблюдается при элект-ризации тел в электрическом поле. Если к шарику, предварительно не заряженному, поднести заряженную палочку, то шарик начнет притягиваться к палочке. Это мож-но объяснить тем, что под действием (рис. 4.40) электрического поля заряженной палочки в шарике произойдет перераспре-деление заряженных частиц таким образом, что на части, более близкой к палочке, будет излишек заряженных частиц, знак ко-торых противоположный знаку заряда па-лочки. Поэтому весь шарик начнет двигаться к палочке. Материал с сайта

Итак, если говорят, что заряженные тела притягивают незаряженные, то имеют в виду состояние их электризации перед опытом. На-блюдаемое же взаимодействие вызвано элект-ризацией незаряженного тела в электрическом поле. Лишь элементарная частичка нейтрон, которая входит в состав ядра атома и не имеет электрического заряда, не взаимодействует с электрическим полем. Взаимодействие нейт-рона с протонами в ядре имеет совсем иную, не электрическую природу.

Следствия явления электростатической ин-дукции используют при изготовлении экранов, которые защищают тела от действия электрических полей (рис. 4.41). Металли-ческие заземленные экраны применяют в лабораториях для защиты исследователей при проведении опытов с применением высоких напряжений. Металлическими экранами от-деляют от нежелательного взаимного влия-ния различные детали радиоэлектронных при-боров, если они находятся близко друг к другу.

На этой странице материал по темам:

• 33. что называют электростатической индукцией? поясните ее механизм.

• Проводник физика доклад

• Электростатическая индукция в проводниках

• Электростатическая индукция - явление наведения собственного электростатического поля, при действии на тело внешнего электрического поля . Явление обусловлено перераспределением зарядов внутри проводящих тел, а также поляризацией внутренних микроструктур у непроводящих тел. Внешнее электрическое поле может значительно исказиться вблизи тела с индуцированным электрическим полем.

  Диэлектрики в электрическом поле ведут себя не так как проводник, хотя при этом у них есть нечто общее. Диэлектрики отличаются от проводников тем, что в них отсутствуют свободные носители зарядов. Всё-таки они там есть, но в очень малом количестве. В проводниках такими носителями зарядов являются электроны, свободно перемещающиеся вдоль кристаллической решётки металлов. Но вот в диэлектриках электроны прочно связаны со своими атомами и не могут свободно перемещается. При внесении диэлектрика в электрическое поля в нем наступает электризация также как и в проводнике. Отличие же диэлектриков состоит в том что электроны не могут свободно перемещаться по объёму как это происходит в проводниках. Но под действием внешнего электрического поля внутри молекулы вещества диэлектрика появляется некоторое смещение зарядов. Положительный смещается вдоль направления поля, а отрицательный против. Вследствие этого поверхность получает некий заряд. Процесс образования заряда на поверхности диэлектриков под действием электрического поля называется поляризацией диэлектрика. Все диэлектрики делятся на две категории. Диэлектрики, относящиеся к первой категории, имеют молекулы, которые даже в отсутствии внешнего электрического поля образуют диполи. Они называются полярными. К полярным диэлектрикам относятся вода аммиак ацетон и эфир. Диполи таких диэлектриков в отсутствии поля расположены хаотически вследствие теплового движения. И, следовательно, заряд на поверхности такого вещества равен нулю. Но при внесении его во внешнее электрическое поля диполи то есть молекула стремятся развернуться вдоль поля. Получается, что положительный заряд предыдущего диполя смотрит на отрицательный следующего. Следовательно, они компенсируют друг друга. Но вот диполям находящимся возле самой поверхности не находится пара. Таким образом, на поверхности материала образуются нескомпенсированые связанные заряды. С одной стороны положительные с другой отрицательные. Но этому препятствует тепловое движение молекул.

  Рисунок 1 - поляризация полярного диэлектрика

  Вторая категория диэлектриков это те, у которых внутри молекулы в свободном состоянии есть положительный и отрицательный заряды. Но они находятся так близко друг к другу, что их влияние взаимно компенсируется. Но при внесении такой молекулы в поле заряды сместятся на некоторое расстояние. Таким образом, образуется диполь. На такие молекулы не влияет тепловое движение и, следовательно, поляризация в них не зависит от температуры.

  
  

  Рисунок 2 - поляризация неполярного диэлектрика

  Заряды на поверхности диэлектриков в отличии зарядов индуцированных в проводниках нельзя отделить от поверхности. При снятии электрического поля поляризация пропадёт. Заряды снова перераспределятся в объёме вещества. Напряжённость поля нельзя увеличивать безгранично. Так как при определенной величине заряды сместятся настолько, что произойдет структурное изменение материала, проще говоря, пробой диэлектрика. Он в этом случае теряет свои изоляционные свойства.

  Возвращаясь к школе

  Прежде чем ответить на вопрос, что такое электростатическая индукция, необходимо определиться, что именно понимается под термином «проводник». Хотя еще на школьных уроках физики этому посвящены целые темы, человек, непосредственно не сталкивающийся с ремонтом и обслуживанием электротехники, по прошествии некоторого времени часто утрачивает неиспользуемые знания. Это вполне естественно, поэтому напомним основные моменты, без понимания которых невозможно объяснить, что же такое электростатическая индукция.

  Перемещение заряженных частиц в проводящих материалах

  Представим, что в разрыв электрической цепи, состоящей из амперметра, резистора и источника включается сухой деревянный брусок. Стрелка измерительного прибора останется на цифре «ноль». А вот если дерево заменить металлом, то амперметр покажет установившееся значение силы тока, протекающего по цепочке. Следовательно, в зависимости от сопротивления прохождению тока все вещества можно условно разделить на три больших группы - проводники, диэлектрики и полупроводники. Наиболее известными представителями первой группы являются твердые металлы.

  Проводник и линии напряженности поля

  Если металлический незаряженный образец разместить в электрическом поле, то в нем возникнет упорядоченное и направленное движение свободных носителей электрического заряда, более известное как ток. Вектор линий напряженности поля и направленность тока противоположны. В металлах проводимость обусловлена перемещением электронов. Так как образец не является частью замкнутой цепи, то в нем под действием поля будет происходить перераспределение свободных носителей заряда: с одной стороны соберутся электроны, сформировав отрицательный потенциал, а с другой образуется их недостаток, то есть положительный знак. Это явление вызывается воздействием внешнего электрического поля и носит название «индуцирование». Также можно сказать, что электростатическая индукция - это явление перераспределения носителей зарядов, вызванное электрическим полем. Стоит отметить, что влияние на проводник оказывает и Так, индукции, пронизывающий проводящий материал, создает в нем индуцированный ток. Также в результате намагничивания происходит суммирование индуцирования материала со стороны внешнего поля и возникшего внутреннего поля. Термином «полная индукция» как раз обозначают эту сумму.

  Взаимодействие полей

  Вокруг каждой концентрации зарядов (+ и -) с краев проводящего материала возникает собственное поле. Оно вступает во взаимодействие с внешним, причем направлено встречно ему. Перераспределение вызывает уменьшение поля зарядов, это происходит до тех пор, пока его напряженность в самом проводнике не станет равна нулю. Кроме того, концентрация зарядов искажает линии напряженности внешнего поля таким образом, что они становятся перпендикулярными материалу. Ранее мы специально указали, что речь идет о незаряженном проводнике. Электростатическая индукция характеризуется тем, что хотя в попавшем в электрическое поле проводнике происходит распределение зарядов, он так и остается незаряженным.

  Особенности

  Так как заряды стремятся занять самые крайние положения, то они располагаются на поверхности образца. Даже при наличии внутреннего пустого пространства в конечном итоге поле внутри стремится к нулю. Это позволяет организовывать эффективную защиту чувствительных приборов от действия внешних «Защищаемый» предмет размещают внутри проводниковой сферы (подходит и металлическая сетка): индуцированные заряды скапливаются на ее поверхности, формируют собственное поле, которое внутри сферы уравновешивает влияние внешнего.

  Если вещество находится в электрическом поле, то смещение ядер под действием электрических сил пренебрежимо мало, а смещение электронов, имеющих малую массу, может быть значительным.

  Электростатическая индукция – явление перераспределения свободных зарядов в проводнике во внешнем поле.

  Возникающие на границах проводника индукционные заряды создают поле, которое складывается с внешним:

  В проводниках количество свободных электронов очень велико и поэтому их перераспределение идет до тех пор, пока и

  В результате этого при электростатической индукции:

  1)так как , то поверхность и объем проводника эквипотенциальны,

  2) так как , то внутри проводника индукционных зарядов нет,

  3)индукционные заряды появляются на поверхностях проводника и возникает результирующее поле вне проводника.

  3)линии возникшего результирующего поля вне проводника перпендикулярны его поверхности.

  На рис.29 представлено искажение однородного электрического поля после помещения в него незаряженного проводника произвольной формы, а на рис.30 – искажение поля положительного заряда после внесения в него незаряженного проводящего шара

  Если извлечь внутреннюю часть проводника, то в процессе перераспределения свободных электронов ничего не изменится, поэтому аналогичные явления наблюдаются для любых проводников и сплошных, и полых, и даже в виде металлической сетки.

  Такие же процессы происходят и при внесении в электрическое поле заряженных проводников.

  РИС.29 РИС.30 РИС.31

  Если внутри полого проводника, например сферической оболочки, находится точечный заряд q, то в проводнике также наблюдается электростатическая индукция (рис.31).

  Выберем замкнутую поверхность внутри проводника, так как результирующее поле внутри равно нулю, то поток должен также быть равен нулю.

  Внутри выбранной поверхности находится точечный заряд и индукционные заряды. Тогда:

  Это значит, что величина индукционного заряда на внутренней поверхности проводника равна величине точечного заряда. По закону сохранения заряда такова же величина индукционного заряда на внешней поверхности проводника.

  Так как поверхность проводника эквипотенциальна, то линии результирующего поля как внутри него, так и снаружи перпендикулярны поверхности.

  Под термином «заземление» понимают соединение проводника с очень большим удаленным телом (на практике – с поверхностью земли). В этом случае заряды с внешней поверхности проводника «уходят» и проводник может служить электростатической защитой внешнего пространства от поля внутреннего заряда.

  САМОСТ. VI: 1.Теорема Ирншоу

  2.Использование проводников в качестве электростатической защиты.

  3.Устройство и использование электростатического генератора Р. Ван-де-Граафа.