Проводники в электростатическом поле. Поле внутри проводника и у его поверхности. Распределение зарядов в проводнике. Электростатическая защита.

Проводники – материалы, под действием электрического поля, способные перемещать ток на любые расстояния. К проводникам относят: металлы, электролиты и плазму. В металлах свободные носители заряда – свободные электроны проводимости, в электролитах – положительно и отрицательно заряженные ионы, в плазме – свободные электроны и ионы.

При поступлении в однородное электрическое поле, где металлы - проводники без заряда, начнется движение в направлении, которое противоположно вектору напряжения поля. Скапливаясь на одной стороне, электроны создадут отрицательный заряд, а на другой стороне недостаточное их количество станет причиной появления избыточного положительного заряда. Получится, что заряды разделятся. Некомпенсированные разные заряды возникают под воздействием внешнего поля. Таким образом, они индуцированы, а проводник в электростатическом поле остается без заряда.

При помещении проводника в электростатическое поле в нем мгновенно устанавливается равновесное распределение свободных электронов. Состояние проводника характеризуется следующими выводами:

1) Напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю, т.е. E = 0. Обоснование: в противном случае наблюдалось бы движение свободных электронов. Или иначе: движение свободных электронов продолжалось бы до тех пор, пока напряженность электростатического поля внутри проводника не стала бы равной нулю.

2) Все точки проводника и его поверхности имеют одинаковый потенциал, т.е. φ = const. Обоснование: работа электростатического поля по перемещению заряда внутри проводника из любой точки в любую другую точку равна нулю, т.е. потенциал проводника остается постоянным. Или иначе: gradφ = 0 → φ = const.

3) Объемная плотность заряда ρ внутри проводника всегда (заряжен или не заряжен проводник) равна нулю, т.е. ρ = 0. Обоснование: это следует из дифференциальной формы теоремы Гаусса → div E = ρ/ε₀.

4) Следовательно, заряд проводника Q всегда располагается на поверхности проводника.

5) Силовые линии внешнего электростатического поля вблизи поверхности проводника направлены перпендикулярно к поверхности, так как поверхность проводника является эквипотенциальной (т.е. во всех точках имеет одинаковый потенциал).

По теореме Гаусса поток напряженности электростатического поля через поверхность цилиндра Ф_Е = σ•ΔS/ε₀, (где σ – поверхностная плотность электрического заряда) т.е. заряду внутри поверхности деленному на ε₀. Напряженность поля в области 1 равна нулю, напряженность поля в области 2- E_n при h →0 перпендикулярно к площадке ΔS и параллельно боковой поверхности цилиндра. Поэтому выражение для теоремы Гаусса в данном случае принимает вид: Ф_Е = Ф_Е1 + Ф_Е2 + Ф_Е(бок) = Ф_Е2 = E_n• ΔS = σ•ΔS/ε₀. Отсюда: E_n = σ/ε₀, (2) E_n – напряженность электростатического поля вблизи поверхности проводника. E₁ = 0, E₂ = E_n

Электростатическая защита — помещение приборов, чувствительных к электрическому полю, внутрь замкнутой проводящей оболочки для экранирования от внешнего электрического поля.

Это явление связано с тем, что на поверхности проводника (заряженного или незаряженного), помещённого во внешнее электрическое поле, заряды перераспределяются так (явление электростатической индукции), что создаваемое ими внутри проводника поле полностью компенсирует внешнее.

Постоянный электрический ток,электростатическое и стороннее поля. Закон Ома в дифференциальной форме. Разность потенциалов, электродвижущая сила и падение напряжения. Обобщенный закон Ома для участка цепи в интегральной форме. График распределения потенциала вдоль участка цепи.

Электрический ток -упорядоченное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля или сторонних сил.

За направление тока выбрано направление движения положительно заряженных частиц.

Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени.

Электростатическое поле — поле, созданное неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрическими зарядами (при отсутствии электрических токов). Электрическое поле представляет собой особый вид материи, связанный с электрическими зарядами и передающий действия зарядов друг на друга.Если в пространстве имеется система заряженных тел, то в каждой точке этого пространства существует силовое электрическое поле. Оно определяется через силу, действующую на пробный точечный заряд, помещённый в это поле. Пробный заряд должен быть ничтожно малым, чтобы не повлиять на характеристику электростатического поля.Электрическое поле называют однородным, если вектор его напряженности одинаков во всех точках поля.

Основные характеристики электростатического поля:напряженность и потенциал.

Большинство проводников подчиняется закону Ома.

Экспериментальный закон Ома в дифференциальной форме:

где σ – удельная электропроводность вещества.

 

Закон Ома справедлив для веществ, в которых концентрация носителей заряда остаётся неизменной.