Конспект урока: Проводники в постоянном электрическом поле. Диэлектрики в постоянном электрическом поле

Проводники и диэлектрики

По электрическим свойствам тела можно разделить на проводники и диэлектрики. Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряжённого тела к незаряжённому. Способность проводников пропускать через себя электрический ток обусловлена наличием в них свободных носителей заряда. Свободные заряды — заряжённые частицы, которые находятся в проводниках (в металлах — электроны, в электролитах — ионы) и способны перемещаться под действием электрического поля. Примерами проводников могут служить металлические тела в твёрдом и жидком состоянии, жидкие растворы электролитов.
 

Диэлектриками или изоляторами называются такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряжённого тела к незаряжённому. К диэлектрикам, например, относятся воздух и стекло, плексиглас и эбонит, сухое дерево и бумага.

Проводники в электрическом поле

Рассмотрим несколько опытов, которые продемонстрируют наличие свободных электрических зарядов в проводниках. Закрепим на острие тонкую металлическую трубу так, чтобы она могла свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Соединив проводником трубу со стержнем электрометра, убедимся, что труба не имеет электрического заряда. Теперь наэлектризуем эбонитовую палочку и поднесём к одному из концов трубы. Труба поворачивается на острие, притягиваясь к заряжённой палочке, как если бы притягивались два разноимённых заряда. Можно сделать вывод, что на том конце трубы, который расположен ближе к эбонитовой палочке, появился электрический заряд, противоположный по знаку заряду палочки. Если на одном конце трубы под действием электрического поля заряжённой палочки появился положительный электрический заряд, то на другом конце в соответствии с законом сохранения электрического заряда должен появиться равный ему по абсолютному значению отрицательный электрический заряд.

Рис. 1. Разделённый проводник в электрическом поле

Следующий опыт показывает, что, действительно, две части металлического тела, разделённого в электрическом поле, обладают электрическими зарядами (рис. 1). Скопившиеся заряды на соседних участках равны по модулю, но противоположны по знаку. Явление разделения разноимённых зарядов в проводнике, помещённом в постоянное электрическое поле, получило название электростатической индукции. При внесении в электрическое поле тела, которое является проводником, свободные заряды в нём приходят в движение. В результате перераспределения зарядов изменяется электрическое поле внутри проводника. Перераспределение зарядов прекращается только тогда, когда напряжённость электрического поля в проводнике становится равной нулю. Свободные заряды перестают перемещаться вдоль поверхности проводящего тела при достижении такого распределения, при котором вектор напряжённости электрического поля в любой точке перпендикулярен поверхности тела. Поэтому в электрическом поле поверхность проводящего тела любой формы является эквипотенциальной поверхностью.

Для решения многих задач электростатики пригодятся знания о напряжённости и о потенциале металлической проводящей сферы с зарядом q и радиусом R. Напряжённость электрического поля внутри сферы равна нулю, а за пределами поверхности сферы убывает как квадрат радиус-вектора:

$\left\{\begin{array}{l}E=0, r<R\\ E=\frac{kq}{r^2}, r\ge R\end{array}\right.$.

Потенциал поля заряжённой проводящей сферы ведёт себя следующим образом:

$\left\{\begin{array}{l}\phi =\frac{kq}{R}, r<R\\ \phi =\frac{kq}{r}, r\ge R\end{array}\right.$.

Диэлектрики в электрическом поле

Посмотрим, как ведут себя диэлектрики в электрическом поле. В идеальных диэлектриках нет свободных носителей заряда, способных под действием внешнего электрического поля перемещаться по всему объёму вещества. Все заряды в таком диэлектрике прочно связаны с его атомами. Проведём подобный эксперимент, который был при рассмотрении проводников. Вместо металлической трубы установим деревянную (дерево — диэлектрик) линейку на острие подставки, позволяющей вращаться вокруг вертикальной оси. Будем опять подносить заряжённую палочку к одному из концов линейки. Опыт покажет, что деревянная линейка — тело из диэлектрика — притягивается к заряжённым телам подобно проводнику.

Но если тело из диэлектрика разделить в электрическом поле на две части, то каждая из них окажется нейтральной. В диэлектрике, помещённом в электрическое поле, заряды не разделяются, так как в нём просто-напросто нет свободных зарядов. Притяжение незаряжённого тела из диэлектрика к заряжённому телу объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, т. е. смещение в противоположные стороны в направлении внешнего поля разноимённых связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества. 

Рис. 2. Изменение электронного облака в диэлектрике

Различают два вида диэлектриков: полярные и неполярные. В молекулах полярных диэлектриков положительные и отрицательные заряды изначально смещены друг относительно друга. Такую молекулу удобно представлять в виде «гантельки», состоящей из двух разноимённых шариков. В молекулах неполярного диэлектрика положительные и отрицательные заряды при отсутствии внешнего поля распределены равномерно. Молекула неполярного диэлектрика во внешнем поле растягивается, поскольку все положительные заряды смещаются в сторону вектора напряжённости внешнего поля, а отрицательные заряды — в противоположную. Примерами полярных диэлектриков являются вода, спирт, кислоты, а неполярных — инертные газы, кислород, водород, бензол и др.

Рис. 3. Поляризация диэлектрика

При отсутствии электрического поля электронное облако расположено симметрично относительно атомного ядра, а в электрическом поле с напряжённостью $\overrightarrow{E}$ оно изменяет свою форму, и центр отрицательно заряжённого электронного облака уже не совпадает с центром положительного ядра (рис. 2). 

В результате поляризации на поверхности вещества появляются связанные (индуцированные) заряды (рис. 3).

Рис. 4. Поле внутри диэлектрика, помещённого во внешнее поле

Эти заряды обусловливают взаимодействие нейтральных тел из диэлектрика с заряжёнными телами. Вектор напряжённости ${\overrightarrow{E}}_{\mathrm{п}}$ электрического поля, создаваемого связанными зарядами на поверхности диэлектрика, направлен внутри диэлектрика противоположно вектору напряжённости ${\overrightarrow{E}}_0$ внешнего электрического поля, вызывающего поляризацию (рис. 4).

Таким образом, напряжённость электрического поля $\overrightarrow{E}$ внутри диэлектрика оказывается равной:

$\overrightarrow{E}={\overrightarrow{E}}_0+{\overrightarrow{E}}_{\mathrm{п}}$;

$E=E_0-E_{\mathrm{п}}$.

Закон Кулона для случая взаимодействия электрических зарядов в диэлектрике имеет вид $F_{\mathrm{э}}=\frac{1}{4\pi ·{\epsilon }_0·\epsilon }·\frac{\left|q_1\right|·\left|q_2\right|}{r^2}$.