Проводники и диэлектрики

Ключевые слова: электростатическая индукция, диэлектрики, поляризация диэлектрика.

На этом уроке вы:

• научитесь различать поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле.

Проводники. Несмотря на то, что все вещества состоят из атомов и молекул, их внутреннее строение различно. Те из них, в которых имеются заряженные частицы, способные свободно перемещаться, называются проводниками, а сами частицы называют свободными зарядами.

Если поместить проводник в электрическое поле, то находящиеся в нем свободные заряды придут в движение под действием сил поля и в проводнике возникнет направленное движение зарядов, то есть электрический ток. Проводники потому так и называются, что они проводят электрический ток.

Лучшие проводники — металлы. Свободными заряженными частицами в металлах являются свободные электроны. Поскольку электроны имеют отрицательный электрический заряд, действующая на них со стороны электрического поля сила направлена противоположно напряженности электрического поля, и поэтому в металлическом проводнике, находящемся в поле, электроны сосредоточатся на одной его стороне. Внутри проводника возникнет собственное электрическое поле, напряженность которого равна по модулю напряженности внешнего поля, и поэтому напряженность результирующего поля внутри проводника равна нулю (рис. 21.1). Следовательно, под действием электрического поля в проводнике наводится заряд, который сосредотачивается на его поверхности, т. е. $E = 0$.

Рис. 21.1. Проводник в электрическом поле: $\vec{E} = \vec{E}_0 + \vec{E}' = 0$

Если проводник, не вынимая из электрического поля, разрезать на две части, то мы получим два разноименно заряженных проводника (рис. 21.2).

Перераспределение зарядов в проводнике, в результате которого напряженность электрического поля внутри проводника обращается в нуль, называют электростатической индукцией.

При равновесии зарядов напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю.

Рис. 21.2

Электростатическая защита. При равновесии зарядов напряженность электрического поля равна нулю не только в сплошном изолированном проводнике, но и внутри полого проводника. По этой причине, например, напряженность поля внутри однородно заряженной сферы равна нулю (если внутри сферы нет заряженных тел).

Рис. 21.3

Это свойство проводников в электрическом поле используют для создания электростатической защиты: например, чувствительные к электрическому полю приборы заключают в металлические корпуса. Причем для этого не обязательно даже, чтобы стенки корпусов были сплошными, — достаточно использовать металлическую сетку, которую называют иногда «сеткой Фарадея» (рис. 21.3).

Электростатическую защиту используют, чтобы защитить людей, работающих в сильном электрическом поле. В этом случае металлической сеткой окружают пространство, в котором работают люди.

Громоотвод (молниеотвод) служит для защиты зданий и судов от разрушительных действий молнии. Его действие основано на свойстве металлических остроконечных стержней как бы извлекать электричество из наэлектризованных предметов, в сторону которых остроконечия обращены. Громоотвод состоит из одного или нескольких металлических стержней, поставленных на верхней части здания, обращенных остриями вверх и металлически соединенных с землей. Грозовые облака, проходя над такими стержнями, теряют свое электричество. Электрический разряд происходит или бесшумно, будучи сопровождаемый слабым светом на оконечности стержня, или же в стержень ударяет молния, сопровождаемая громом.

Диэлектрики. Как вы уже знаете, в диэлектриках нет свободных зарядов. Однако это не значит, что в них вообще нет заряженных частиц, ведь в атомах и молекулах диэлектриков, как и в любых других веществах, есть положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Заряды в атомах и молекулах диэлектрика сильно связаны друг с другом, и поэтому их называют связанными зарядами.

Рассмотрим подробнее, что происходит в диэлектриках при внесении их в электрическое поле. Под действием сил электрического поля связанные заряды разворачиваются так, что располагаются вдоль линий электрического поля (рис. 21.4).

Итак, под действием внешнего электрического поля молекулы диэлектриков выстраиваются по направлению напряженности внешнего электрического поля. Это явление называют поляризацией диэлектрика. В результате поляризации диэлектрика на его поверхности появляются заряды (рис. 21.5).

Рис. 21.4

Рис. 21.5

Мы видим, что положительные и отрицательные заряды, образовавшиеся вследствие поляризации, внутри диэлектрика компенсируют друг друга (рис. 21.6). А на поверхности диэлектрика такой компенсации нет, поэтому и возникают поверхностные заряды.

На рисунке 21.6 схематически показано, как в результате поляризации диэлектрика на его поверхности появляются связанные заряды. Таким образом, вследствие поляризации диэлектрика напряженность электрического поля внутри диэлектрика уменьшается.

Благодаря поляризации незаряженные диэлектрики притягиваются к заряженному телу независимо от знака его заряда.

Напоминаем, что величину, которая показывает, во сколько раз уменьшится напряженность внешнего электрического поля внутри однородного диэлектрика, называют относительной диэлектрической проницаемостью и обозначают $\varepsilon$.

Значения диэлектрической проницаемости для разных веществ могут очень сильно различаться.

Рис. 21.6

Например, для воздуха $\varepsilon = 1{,}0006$, что очень мало отличается от единицы. Очень близка к единице и диэлектрическая проницаемость других газов ($\varepsilon \approx 1$). Обусловлено это главным образом малой концентрацией молекул в газах.

Значение диэлектрической проницаемости большинства жидкостей и твердых тел — от нескольких единиц до нескольких десятков. Сравнительно велика диэлектрическая проницаемость воды: $\varepsilon = 81$.

Вопросы

1. Какие тела называются проводниками? Приведите примеры.
2. Что происходит в проводнике, попавшем в электрическое поле? В каком направлении будут двигаться при этом свободные электроны?
3. Объясните, почему поле, созданное этими зарядами внутри проводника, направлено противоположно внешнему полю.
4. Какие тела называются диэлектриками? Приведите примеры.
5. Как происходит поляризация диэлектрика?