Проводник в электростатическом поле: определение, формулы, примеры

Электростатическое поле окружает нас повсюду. Что происходит с проводником, когда он попадает в это поле? Давайте разберемся!

Определение проводника в электростатическом поле

Проводником называют вещество, содержащее подвижные заряженные частицы, которые могут упорядоченно двигаться под действием электрического поля.

В металлах такими частицами являются электроны. Они находятся на внешних оболочках атомов и легко покидают свои атомы, становясь свободными. Эти свободные электроны и обеспечивают электропроводность металлов.

Если поместить металлический проводник в электростатическом поле, его свободные электроны начинают двигаться под действием сил этого поля. Они смещаются внутри проводника, образуя избыток отрицательных зарядов с одной стороны и недостаток (то есть избыток положительных зарядов) с другой.

Это явление называется электростатической индукцией. Возникающие в проводнике заряды создают собственное электрическое поле, которое направлено навстречу внешнему полю. Когда собственное поле полностью скомпенсирует внешнее, дальнейшее упорядоченное движение электронов прекратится. В результате результирующее поле внутри проводника обратится в ноль.

Свойства проводников в электростатическом поле

Итак, основные свойства проводников в электростатическом поле таковы:

• Внутри проводника собственное электрическое поле полностью компенсирует внешнее поле, поэтому результирующее поле внутри проводника равно нулю:

E_внутри = 0

• Все точки проводника имеют одинаковый электрический потенциал, то есть проводник является эквипотенциальным телом:

φ = const

• На поверхности проводника напряженность электрического поля перпендикулярна к этой поверхности:

E⟂S

• Возникающие в проводнике электрические заряды располагаются только на его поверхности, внутри зарядов нет:

q_внутри = 0

• Напряженность поля на поверхности проводника прямо пропорциональна плотности поверхностных зарядов σ:

E = σ/εε₀

Эти свойства проводников используются во многих практических применениях. Рассмотрим несколько примеров.

Примеры проводников в электростатическом поле

Поместим в однородное электростатическое поле металлическую сферу, цилиндр или проводник другой формы. Как будут распределяться заряды на поверхности такого проводника?

Оказывается, плотность поверхностных зарядов зависит от кривизны поверхности. На участках с меньшим радиусом кривизны (острия, ребра, выступы) плотность заряда будет больше из-за электростатического отталкивания.

На сфере заряд распределится равномерно, а вот на заостренном конце цилиндра или иглы зарядов накопится значительно больше. Их плотность может быть настолько высокой, что приведет к истечению зарядов с острия проводника.

Это явление наглядно демонстрируют такие опыты, как сдувание пламени свечи или вращение металлического колеса Франклина. На основе эффекта истечения зарядов созданы электростатические двигатели.

Электроемкость проводников

Еще одной важной характеристикой проводников является их электроемкость. Электроемкость показывает способность проводника накапливать определенное количество электрических зарядов.

Величина электроемкости зависит от размеров и формы проводника. Например, для шара радиусом R электроемкость рассчитывается по формуле:

C_ш = 4πεε₀R

Где ε - диэлектрическая проницаемость среды вокруг шара, ε₀ - диэлектрическая постоянная.

Интересно посчитать электроемкость Земли, рассматривая ее как уединенный проводник. Подставив в формулу радиус Земли R ≈ 6400 км, получим значение около 700 миллионов фарад.

Увеличение электроемкости проводника

Если рядом с проводником поднести другой заряженный проводник, то благодаря явлению электростатической индукции электроемкость первого проводника увеличится. Этим принципом пользуются в конденсаторах - устройствах для накопления электростатической энергии.

Экранирование электростатических полей

Одно из важных свойств проводников - отсутствие электростатического поля внутри них. Это свойство используется для защиты от внешних электрических полей - их экранирования.

Пример такого экранирования - клетка Фарадея. Это замкнутая металлическая сетка, внутри которой находится защищаемый объект. Благодаря свойствам проводника сетка не пропускает электрическое поле извне вовнутрь.

Проводники в электрическом поле: электростатическая защита

Экранирование с помощью заземленных проводников - распространенный способ защиты от внешних электростатических полей. Так обеспечивается электробезопасность приборов и людей. Например, таким образом защищают от удара молнии взрывоопасные объекты.

Техника безопасности при работе с проводниками

При работе с заряженными проводниками важно соблюдать правила техники безопасности, чтобы избежать искрения и поражения током. Необходимо предотвращать скопление большого заряда на остриях и ребрах проводников, использовать защитные экраны и заземление.

Генератор Ван-де-Граафа

Одно из практических применений свойств проводников - это генератор Ван-де-Граафа. Это высоковольтный электростатический генератор, способный создавать разность потенциалов в миллионы вольт!

Принцип его работы основан на постепенной передаче электрических зарядов с помощью движущейся диэлектрической ленты на наружную поверхность большой металлической сферы или цилиндра. В результате на их поверхности накапливается все бóльший по величине электрический заряд одного знака.

Применение генератора Ван-де-Граафа

Генераторы Ван-де-Граафа используются в экспериментальной физике для изучения электрических разрядов при очень высоких напряжениях. Кроме того, они применяются в ускорителях заряженных частиц.

Например, в Томском институте ядерной физики есть генератор на миллион вольт, установленный в специальной высотной башне. Он используется для ускорения протонов и исследования процессов в ядерной физике.

Электрическая емкость Земли

Ранее мы рассчитали электроемкость Земли как уединенного проводника. На самом деле Земля является частью глобальной электрической цепи, куда также входят ионосфера и магнитосфера. Поэтому ее реальная электроемкость немного другая.

Влияние погоды на электроемкость Земли

Электрические свойства ионосферы сильно меняются в зависимости от погодных условий. Поэтому и эквивалентная электроемкость всей планеты тоже не является постоянной, а зависит от текущей погоды и геомагнитной обстановки. Это важно учитывать при проектировании систем молниезащиты.

Применение проводников бытовой технике

Рассмотрим, как используются проводники в бытовых электроприборах. В их основе чаще всего лежит явление нагрева проводника, по которому протекает электрический ток.

Например, в электрических чайниках и обогревателях используется нагревательный элемент - резистивный проводник с высоким удельным сопротивлением. При протекании по нему тока выделяется тепловая энергия, которая нагревает воду.

Электропроводка помещений

Для передачи электроэнергии от источника к потребителям в зданиях монтируется электропроводка. Она состоит из медных или алюминиевых проводников, заключенных в изоляцию и проложенных в стенах, полу или потолке.

При монтаже проводки важно учитывать допустимые токовые нагрузки на провода и использовать защитное заземление для обеспечения электробезопасности.

Применение в электронной аппаратуре

Вся радиоэлектронная аппаратура построена из отдельных электрических цепей, соединенных проводниками. Это могут быть резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, полупроводниковые приборы и микросхемы.

Проводники в виде электрических цепей обеспечивают передачу и обработку информационных сигналов в распределенных системах управления и связи.

Перспективы использования проводников

Активно ведутся работы по созданию новых типов проводниковых наноматериалов со специальными электрофизическими свойствами. Они станут основой электроники будущего поколения.