Поле внутри и вне проводника

Особенности электрических свойств проводящих материалов определяются наличием в них свободных зарядов. В обычных условиях положительные и отрицательные заряды компенсируют друг друга. Если же в проводнике создать свободные некомпенсированные заряды (то есть зарядить его), то, как показывает опыт, заряды в нем будут перемещаться до тех пор, пока не наступит равновесие.

Из опытного факта наличия равновесия в заряженном проводнике можно сделать следующие выводы.

Рисунок 19

 

 

1) напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю ().

Применяя теорему Гаусса для любой поверхности внутри проводника (рисунок 1), получим, что ; Е = 0, Q = 0, то есть заряды внутри проводника отсутствуют. Под действием кулоновских сил отталкивания заряды распределяются по поверхности проводника.

2) Равновесие зарядов на поверхности проводника свидетельствует о том, что тангенциальная составляющая напряженности электрического поля Е_t равна нулю, то есть напряженность поля в каждой точке перпендикулярна к поверхности проводника E = E_n (рисунок 20).

Согласно теореме Гаусса , где s - поверхностная плотность заряда.

 

Рисунок 20

 

3) Так как E = E_n, а Е_t= 0, то работа перемещения заряда по поверхности проводника равна нулю. То есть, поверхность заряженного проводника является эквипотенциальной поверхностью (j =const). Вне проводника эквипотенциальные поверхности повторяют форму проводника и при r ®¥ становятся сферическими, как у точечного заряда.

4) При удалении от проводника потенциал наиболее быстро убывает вблизи выступов, то есть, напряженность поля здесь наибольшая и поверхностная плотность зарядов s тоже наибольшая . Иногда это приводит к тому, что заряды «стекают» с острия в окружающее пространство. Такое явление используют, например, в ионизаторах воздуха. В линиях электропередачи стекание зарядов приводит к потери электроэнергии. Оно используется в пыле- и дымоочистителях. В мощных электровакуумных приборах мелкие острия, вырастающие на жидких ртутных катодах, способствуют зажиганию разряда и т.д.

Если незаряженный проводник поместить в электростатическое поле, то носители заряда будут в нем перемещаться. На поверхностях, пересекаемых линиями вектора напряженности внешнего поля, возникают положительные и отрицательные заряды, которые исчезают при удалении проводника из поля (рисунок 21).

Явление, состоящее в электризации незаряженного проводника во внешнем электростатическом поле, называется электростатической индукцией. Перемещение заряда приводит к тому, что внутри проводника напряженность поля становится равной нулю. Линии вектора разрываются проводником: они заканчиваются на индуцированных отрицательных зарядах и начинаются на индуцированных положительных зарядах.

Явление отсутствия электрического поля внутри проводника широко используется при электростатической защите. Чтобы защитить различные приборы, кабели высокочастотной связи и другие объекты от внешних электрических полей, их покрывают заземленной металлической сеткой.

Рисунок 21

Линии напряженности внешнего поля обрываются на сетке, индуцируемый на ней заряд стекает в землю. Защитной металлической сеткой покрывают бензохранилища и склады артиллерийских снарядов, чтобы защитить их от внешних полей во время грозы.