Распределение зарядов в проводнике

Металл, в отличие от диэлектрика, проводит электрический ток. Следовательно, в металлических проводниках имеются свободные носители заряда – электроны проводимости или свободные электроны, которые могут под действием электрического поля перемещаться по всему проводнику. Свободные электроны возникают, когда металл конденсируется из газообразного сотояния в жидкое, а затем в твердое. При конденсации металла происходит обобществление части валентных электронов, которые отделяются от «своих» атомов и образуют электронные газ в металле.

Электронные свойства проводников в условиях электростатики определяются поведением электронов проводимости во внешнем электростатическом поле. В отсутствии внешнего электростатического поля электрические поля электронов проводимости и ионного остова кристаллической решетки – положительных ионов металла – взаимно компенсируются. Если металлический проводник внесен во внешнее электрическое поле, то под действием этого поля электроны проводимости перераспределяются в проводнике таким образом, чтобы в любой точке внутри проводника электрическое поле электронов проводимости и положительных ионов скомпенсировало внешнее поле.

Перераспределение зарядов в проводнике под влиянием внешнего электростатического поля называется явлением электростатической индукции. Возникающие на проводнике заряды при внесении его в поле, численно равны друг другу, но противоположны по знакам, называются наведенными или индуцированными зарядами. Индуцированные заряды исчезают, как только проводник удаляется из электрического поля.

Для проводника в электростатическом поле выполняются следующие условия.

1. Условие экранировки. Всюду внутри проводника напряженность электрического поля равна нулю. Иными словами, электростатическое поле в проводник не проникает. У поверхности нормальная составляющая равна напряженности внешнего поля (), а тангенциальная равна нулю ().

2. Условие эквипотенциальности. Весь объем проводника эквипотенциален, т.е. всюду внутри проводника потенциал остается постоянным. Условие эквипотенциальности напрямую следует из связи напряженности и потенциала (13).

Из условий экранировки и эквипотенциальности следует, что нескомпенсированные заряды располагаются в проводнике только на его поверхности.

Исходя и теоремы Гаусса–Остроградского у поверхности проводника с поверхностной плотностью зарядов s напряженность и индукция электрического поля:

,

где e₀ – относительная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник.

Интерес представляют скачки напряженностей электрического поля на выступах (остриях) и впадинах в заряженных проводниках. У острия наблюдается аномальный скачок напряженности электрического поля (у идеального острия она равна бесконечности), а во впадинах напряженность электрического поля минимальна (в идеальном случае равна нулю). Большое значение напряженности поля вблизи острого выступа на заряженном проводнике приводит к явлению, известному под названием «электрического ветра». В достаточно сильном электрическом поле вблизи заряженного острия в воздухе происходит стекание заряда, и следствие этого – ударная ионизация воздуха. Ионы, заряженные одноименно с острием, движутся от него. Они увлекают за собой частицы воздуха и вызывают образование «электрического ветра», направленного от острия. Ионы, заряженные разноименно с острием, движутся к нему. Однако их влияние на «электрический ветер» несущественно, так как образование и разгон ионов происходит в непосредственной близости от острия. В вакууме с отрицательно заряженного острия стекают электроны. Последнее явление используется в вакуумных электронных приборов в холодных катодах.