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 заряженного тела к незаряженному. Способность проводников пропускать через себя электрический ток обусловлена наличием в них свободных носителей заряда. Свободные заряды - заряженные 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 состояние, жидкие растворы электролитов.
 

Диэлектриками или изоляторами называются такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному. 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 в том, что труба не имеет электрического заряда. Теперь наэлектризуем эбонитовую палочку и поднесём к одному из концов трубы. Труба поворачивается на острие, притягиваясь к заряженной палочке, как если бы притягивались два разноименных 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 заряженной 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. Разделенный 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 электростатическая индукция. 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 напряженности и о потенциале металлической проводящей сферы с зарядом q и радиусом R. Напряженность 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 заряженной проводящей сферы ведет 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 объему вещества. Все заряды в таком диэлектрике прочно связаны с его атомами. Проведем подобный эксперимент, который был при рассмотрении проводников. Вместо металлической трубы установим деревянную (дерево-диэлектрик) линейку на острие подставки, позволяющее вращаться вокруг вертикальной оси. Будет опять подносить заряженную палочку к одному из концов линейки. Опыт покажет, что деревянная линейка – тело из диэлектрика – притягивается к заряженным телам подобно проводнику.

Но, если тело из диэлектрика разделить в электрическом поле на две части, то каждая из частей окажется нейтральной. В диэлектрике, помещённом в электрическое поле, заряды не разделяются, так как в нём просто-напросто нет свободных зарядов. Притяжение незаряженного тела из диэлектрика к заряженному 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 разноименных 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 напряженности внешнего поля, а отрицательные заряды - в противоположную. Примерами полярных диэлектриков являются вода, спирт, кислоты, а неполярных диэлектриков - 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 заряженного 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, помещенного во внешнее поле

Эти заряды обусловливают взаимодействие нейтральных тел из диэлектрика с заряженными 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: $F_{\mathrm{э}}=\frac{1}{4\pi ·{\epsilon }_0·\epsilon }·\frac{\left|q_1\right|·\left|q_2\right|}{r^2}$.