Электростатическая индукция в проводниках. Электростатическая индукция – явление перераспределения свободных зарядов в проводнике во внешнем поле

10.10.2018

Возвращаясь к школе

Прежде чем ответить на вопрос, что такое электростатическая индукция, необходимо определиться, что именно понимается под термином «проводник». Хотя еще на школьных уроках физики этому посвящены целые темы, человек, непосредственно не сталкивающийся с ремонтом и обслуживанием электротехники, по прошествии некоторого времени часто утрачивает неиспользуемые знания. Это вполне естественно, поэтому напомним основные моменты, без понимания которых невозможно объяснить, что же такое электростатическая индукция.

Перемещение заряженных частиц в проводящих материалах

Представим, что в разрыв электрической цепи, состоящей из амперметра, резистора и источника включается сухой деревянный брусок. Стрелка измерительного прибора останется на цифре «ноль». А вот если дерево заменить металлом, то амперметр покажет установившееся значение силы тока, протекающего по цепочке. Следовательно, в зависимости от сопротивления прохождению тока все вещества можно условно разделить на три больших группы - проводники, диэлектрики и полупроводники. Наиболее известными представителями первой группы являются твердые металлы.

Проводник и линии напряженности поля

Если металлический незаряженный образец разместить в электрическом поле, то в нем возникнет упорядоченное и направленное движение свободных носителей электрического заряда, более известное как ток. Вектор линий напряженности поля и направленность тока противоположны. В металлах проводимость обусловлена перемещением электронов. Так как образец не является частью замкнутой цепи, то в нем под действием поля будет происходить перераспределение свободных носителей заряда: с одной стороны соберутся электроны, сформировав отрицательный потенциал, а с другой образуется их недостаток, то есть положительный знак. Это явление вызывается воздействием внешнего электрического поля и носит название «индуцирование». Также можно сказать, что электростатическая индукция - это явление перераспределения носителей зарядов, вызванное электрическим полем. Стоит отметить, что влияние на проводник оказывает и Так, индукции, пронизывающий проводящий материал, создает в нем индуцированный ток. Также в результате намагничивания происходит суммирование индуцирования материала со стороны внешнего поля и возникшего внутреннего поля. Термином «полная индукция» как раз обозначают эту сумму.

Взаимодействие полей

Вокруг каждой концентрации зарядов (+ и -) с краев проводящего материала возникает собственное поле. Оно вступает во взаимодействие с внешним, причем направлено встречно ему. Перераспределение вызывает уменьшение поля зарядов, это происходит до тех пор, пока его напряженность в самом проводнике не станет равна нулю. Кроме того, концентрация зарядов искажает линии напряженности внешнего поля таким образом, что они становятся перпендикулярными материалу. Ранее мы специально указали, что речь идет о незаряженном проводнике. Электростатическая индукция характеризуется тем, что хотя в попавшем в электрическое поле проводнике происходит распределение зарядов, он так и остается незаряженным.

Особенности

Так как заряды стремятся занять самые крайние положения, то они располагаются на поверхности образца. Даже при наличии внутреннего пустого пространства в конечном итоге поле внутри стремится к нулю. Это позволяет организовывать эффективную защиту чувствительных приборов от действия внешних «Защищаемый» предмет размещают внутри проводниковой сферы (подходит и металлическая сетка): индуцированные заряды скапливаются на ее поверхности, формируют собственное поле, которое внутри сферы уравновешивает влияние внешнего.

Электростатическая индукция - явление наведения собственного электростатического поля, при действии на тело внешнего электрического поля . Явление обусловлено перераспределением зарядов внутри проводящих тел, а также поляризацией внутренних микроструктур у непроводящих тел. Внешнее электрическое поле может значительно исказиться вблизи тела с индуцированным электрическим полем.

Диэлектрики в электрическом поле ведут себя не так как проводник, хотя при этом у них есть нечто общее. Диэлектрики отличаются от проводников тем, что в них отсутствуют свободные носители зарядов. Всё-таки они там есть, но в очень малом количестве. В проводниках такими носителями зарядов являются электроны, свободно перемещающиеся вдоль кристаллической решётки металлов. Но вот в диэлектриках электроны прочно связаны со своими атомами и не могут свободно перемещается. При внесении диэлектрика в электрическое поля в нем наступает электризация также как и в проводнике. Отличие же диэлектриков состоит в том что электроны не могут свободно перемещаться по объёму как это происходит в проводниках. Но под действием внешнего электрического поля внутри молекулы вещества диэлектрика появляется некоторое смещение зарядов. Положительный смещается вдоль направления поля, а отрицательный против. Вследствие этого поверхность получает некий заряд. Процесс образования заряда на поверхности диэлектриков под действием электрического поля называется поляризацией диэлектрика. Все диэлектрики делятся на две категории. Диэлектрики, относящиеся к первой категории, имеют молекулы, которые даже в отсутствии внешнего электрического поля образуют диполи. Они называются полярными. К полярным диэлектрикам относятся вода аммиак ацетон и эфир. Диполи таких диэлектриков в отсутствии поля расположены хаотически вследствие теплового движения. И, следовательно, заряд на поверхности такого вещества равен нулю. Но при внесении его во внешнее электрическое поля диполи то есть молекула стремятся развернуться вдоль поля. Получается, что положительный заряд предыдущего диполя смотрит на отрицательный следующего. Следовательно, они компенсируют друг друга. Но вот диполям находящимся возле самой поверхности не находится пара. Таким образом, на поверхности материала образуются нескомпенсированые связанные заряды. С одной стороны положительные с другой отрицательные. Но этому препятствует тепловое движение молекул.

Рисунок 1 - поляризация полярного диэлектрика

Вторая категория диэлектриков это те, у которых внутри молекулы в свободном состоянии есть положительный и отрицательный заряды. Но они находятся так близко друг к другу, что их влияние взаимно компенсируется. Но при внесении такой молекулы в поле заряды сместятся на некоторое расстояние. Таким образом, образуется диполь. На такие молекулы не влияет тепловое движение и, следовательно, поляризация в них не зависит от температуры.

Рисунок 2 - поляризация неполярного диэлектрика

Заряды на поверхности диэлектриков в отличии зарядов индуцированных в проводниках нельзя отделить от поверхности. При снятии электрического поля поляризация пропадёт. Заряды снова перераспределятся в объёме вещества. Напряжённость поля нельзя увеличивать безгранично. Так как при определенной величине заряды сместятся настолько, что произойдет структурное изменение материала, проще говоря, пробой диэлектрика. Он в этом случае теряет свои изоляционные свойства.

Действие электрического поля распро-страняется на все вещественные объекты: от макроскопических тел, с которыми мы име-ем дело в повседневной жизни, и до мель-чайших частиц, входящих в состав вещест-ва,— электронов, протонов, ионов. Собст-венно взаимодействие этих частичек с электрическим полем определяет электри-ческие свойства вещества в целом.

Электрические свойства физи-ческих тел определяются элект-ронами, протонами и ионами.

Рассмотрим взаимодействие электричес-кого поля с наиболее распространенным классом проводников — металлами.

Возьмем два металлических цилиндра и каждый из них соединим со стержнем за-земленного электрометра. Расположим цилин-дры между параллельными металлическими пластинами так, чтобы они, касаясь друг друга, образовывали единое тело (рис. 4.37) Как только пластинам сообщим заряды, стрелки электрометров отклонятся и засви-детельствуют появление зарядов на цилин-драх. Если разрядить пластины, то исчезнут заряды и на цилиндрах. Таким образом, возникновение зарядов на цилиндрах свя-зано с действием электрического поля.

Явление возникновения зарядов на провод-никах в электрическом поле называют элект-ростатической индукцией .

Электростатическая индукция открыта не-мецким физиком Й. К. Вильке в 1757 г.

Повторим предыдущий опыт, но после этого разъединим цилиндры и разрядим пла-стины. Электрометры покажут наличие за-рядов у каждого из цилиндров (рис. 4.38). Исследование зарядов на цилиндрах с по-мощью эбонитовой палочки, потертой ме-хом, покажет, что цилиндры заряжены раз-ноименно.

Явление электростатической индукции можно объяснить на основании электрон-ных представлений.

Металлический проводник имеет крис-таллическую структуру. В узлах кристалли-ческой решетки находятся положительные ионы металла, а между ними — электрон-ный газ. Это — совокупность большого ко-личества электронов, практически не свя-занных с атомами и пребывающих в не-прерывном тепловом движении.

В незаряженном теле общий заряд элект-ронов равняется заряду всех ионов. Поэто-му в обычных условиях каждый проводник электрически нейтральный.

Если внесем проводник в электрическое поле между двумя разноименно заряженными пластинами, то под действием электричес-кого поля свободные электроны сместятся, а положительные ионы останутся в предыду-щем положении. На одном конце проводника будет излишек электронов, а на другом — их недостаток (рис. 4.39). Разделенные заряжен-ные частицы будут иметь собственное элект-рическое поле, напряженность которого E’ будет иметь направление, противоположное направлению напряженности поля заряжен-ных пластин. Модуль напряженности «внутреннего» поля E’ будет равняться модулю напряженности внешнего поля E 0 . В соот-ветствии с принципом суперпозиции суммар-ная напряженность электрического поля внут-ри проводника будет равняться нулю:

E 0 — Е ’ = 0.

Если проводник состоит из двух частей, как в описанном выше опыте, то их можно разделить и вынести из электрического поля. Одна часть будет иметь излишек электро-нов, а другая — излишек ионов. То есть, каж-дая часть проводника будет иметь электри-ческий заряд.

Подобное явление наблюдается при элект-ризации тел в электрическом поле. Если к шарику, предварительно не заряженному, поднести заряженную палочку, то шарик начнет притягиваться к палочке. Это мож-но объяснить тем, что под действием (рис. 4.40) электрического поля заряженной палочки в шарике произойдет перераспре-деление заряженных частиц таким образом, что на части, более близкой к палочке, будет излишек заряженных частиц, знак ко-торых противоположный знаку заряда па-лочки. Поэтому весь шарик начнет двигаться к палочке. Материал с сайта

Итак, если говорят, что заряженные тела притягивают незаряженные, то имеют в виду состояние их электризации перед опытом. На-блюдаемое же взаимодействие вызвано элект-ризацией незаряженного тела в электрическом поле. Лишь элементарная частичка нейтрон, которая входит в состав ядра атома и не имеет электрического заряда, не взаимодействует с электрическим полем. Взаимодействие нейт-рона с протонами в ядре имеет совсем иную, не электрическую природу.

Следствия явления электростатической ин-дукции используют при изготовлении экранов, которые защищают тела от действия электрических полей (рис. 4.41). Металли-ческие заземленные экраны применяют в лабораториях для защиты исследователей при проведении опытов с применением высоких напряжений. Металлическими экранами от-деляют от нежелательного взаимного влия-ния различные детали радиоэлектронных при-боров, если они находятся близко друг к другу.

На этой странице материал по темам:

33. что называют электростатической индукцией? поясните ее механизм.
Проводник физика доклад
Электростатическая индукция в проводниках
Понятие об электрическом поле
Известно, что в пространстве, окружающем электрические заряды, действуют силы электрического поля. Многочисленные опыты над заряженными телами полностью подтверждают это. Пространство, окружающее любое заряженное тело, является электрическим полем, в котором действуют электрические силы.

Направление сил поля называют силовыми линиями электрического поля. Поэтому условно считают, что электрическое поле есть совокупность силовых линий.

Силовые линии поля обладают определенными свойствами:
Силовые линии электрического поля всегда разомкнуты, так как они обрываются на поверхности заряженных, тел. Электрически заряженные тела взаимодействуют друг с другом: разноименно заряженные притягиваются, а одноименно заряженные отталкиваются.

Электрически заряженные тела (частицы) с зарядами q1 и q2 взаимодействуют друг с другом с силой F, которая является векторной величиной и измеряется в ньютонах (Н). При разноименных зарядах тела притягиваются друг к другу, а при одноименных – отталкиваются.

Сила притяжения или отталкивания зависит от величины зарядов тел и от расстояния между ними.

Заряженные тела называются точечными, если их линейные размеры малы по сравнению с расстоянием r между телами. Величина силы их взаимодействия F зависит от величины зарядов q1 и q2, расстояния r между ними и среды, в которой находятся электрические заряды.

Если в пространстве между телами будет не воздух, а какой-нибудь другой диэлектрик, т. е. непроводник электричества, то сила взаимодействия между телами уменьшится.

Величина, характеризующая свойства диэлектрика и показывающая, во сколько раз сила взаимодействия между зарядами увеличится, если данный диэлектрик заменить воздухом, называется относительной диэлектрической проницаемостью данного диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость равна: для воздуха и газов - 1; для эбонита - 2 - 4; для слюды 5 - 8; для масла 2 - 5; для бумаги 2 - 2,5; для парафина - 2 - 2,6.

Электростатическая индукция

Если проводящему телу А шарообразной формы, изолированному от окружающих предметов, сообщить отрицательный электрический заряд, т. е. создать в нем избыток электронов, то этот заряд равномерно распределится по поверхности тела. Так происходит потому, что электроны, отталкиваясь один от другого, стремятся выйти на поверхность тела.

Поместим незаряженное тело Б, также изолированное от окружающих предметов, в поле тела А. Тогда на поверхности тела Б появятся электрические заряды, причем на стороне, обращенной к телу А, образуется заряд, противоположный заряду тела А (положительный), а на другой стороне - заряд, одноименный с зарядом тела А (отрицательный). Электрические заряды, распределяясь таким образом, остаются на поверхности тела Б до тех пор, пока оно находится в поле тела А. Если тело Б вынести из поля или удалить тело А, то электрический заряд на поверхности тела Б нейтрализуется. Такой способ электризации на расстоянии называется электростатической индукцией или электризацией посредством влияния .

Очевидно, что такое наэлектризованное состояние тела является вынужденным и поддерживается исключительно действием сил электрического поля, созданного телом А.

Если проделать то же самое, когда тело А будет заряжено положительно, то свободные электроны с руки человека устремятся к телу Б, нейтрализуют его положительный заряд, и тело Б окажется заряженным отрицательно.

Чем выше будет степень электризации тела А, т. е. чем выше его потенциал, тем до большего потенциала можно наэлектризовать посредством электростатической индукции тело Б.

Таким образом, мы пришли к выводу, что явление электростатической индукции дает возможность при определенных условиях накапливать на поверхности проводящих тел.

Каждое тело можно зарядить до известного предела, т. е. до определенного потенциала; повышение потенциала сверх предельного влечет за собой разряд тела в окружающую атмосферу. Для разных тел необходимо различное количество электричества, чтобы довести их до одного и того же потенциала. Иначе говоря, различные тела вмещают различное количество электричества, т. е. обладают разной электрической емкостью (или просто емкостью).

Электрической емкостью называется способность тела вмещать в себе определенное количество электричества, повышая при этом свой потенциал до определенной величины. Чем больше поверхность тела, тем больший электрический заряд может вместить в себя это тело.

Если тело имеет форму шара, то емкость его находится в прямой зависимости от радиуса шара. Емкость измеряют фарадами.

Фарада - емкость такого тела, которое, получив заряд электричества в один кулон, повышает свой потенциал на один вольт . 1 фарада = 1 000 000 микрофарад.

Электрическая емкость , т. е. свойство проводящих тел накапливать в себе электрический заряд, широко используется в электротехнике. На этом свойстве основано устройство .

Емкость конденсатора

Конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок), изолированных одна от другой прослойкой воздуха или каким-либо другим диэлектриком (слюдой, бумагой и т. д.).

Если одной из пластин сообщить положительный заряд, а другой - отрицательный, т. е. противоположно зарядить их, то заряды пластин, взаимно притягиваясь, будут удерживаться на пластинах. Это позволяет сосредоточить на пластинах гораздо большее количество электричества, чем если бы заряжать их в удалении одна от другой.

Следовательно, может служить устройством, запасающим на своих обкладках значительное количество электричества. Иначе говоря, конденсатор- это накопитель электрической энергии .

Емкость конденсатора равна:

С = еS / 4π l

где С - емкость; е - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S - площадь одной пластины в см2, π -постоянное число, равное 3,14; l - расстояние между пластинами в см.

Из этой формулы видно, что с увеличением площади пластин емкость конденсатора увеличивается, а с увеличением расстояния между ними уменьшается.

Поясним эту зависимость. Чем больше площадь пластин, тем большее количество электричества они способны вместить, а следовательно, и емкость конденсатора будет большей.

При уменьшении расстояния между пластинами возрастает взаимное влияние (индукция) между их зарядами, что позволяет сосредоточить на пластинах большее количество электричества, а следовательно, увеличить емкость конденсатора.

Таким образом, если мы хотим получить конденсатор большой емкости, мы должны брать пластины большой площади и изолировать их между собой тонким слоем диэлектрика.

Формула показывает также, что с увеличением диэлектрической проницаемости диэлектрика емкость конденсатора увеличивается.

Следовательно, конденсаторы, равные по своим геометрическим размерам, но содержащие в себе различные диэлектрики, имеют различную емкость.

Если, например, взять конденсатор с воздушным диэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого равна единице, и поместить между его пластинами слюду с диэлектрической проницаемостью 5, то емкость конденсатора возрастет в 5 раз.

Вот почему для получения больших емкостей в качестве диэлектриков используют такие материалы, как слюда, бумага, пропитанная парафином, и др., диэлектрическая проницаемость которых значительно больше, чем у воздуха.

В соответствии с этим различают следующие типы конденсаторов: воздушные, с твердым диэлектриком и с жидким диэлектриком.

Заряд и разряд конденсатора. Ток смещения

Включим конденсатор постоянной емкости в цепь. При установке переключателя на контакт а конденсатор будет включен в цепь батареи. Стрелка миллиамперметра в момент включения конденсатора в цепь отклонится и затем станет на нуль.

Следовательно, по цепи прошел электрический ток в определенном направлении. Если теперь переключатель поставить на контакт б (т. е. замкнуть обкладки), то стрелка миллиамперметра отклонится в другую сторону и опять станет на нуль. Следовательно, по цепи также прошел ток, но уже другого направления. Разберем это явление.

Когда конденсатор был подключен к батарее, он заряжался, т. е. его обкладки получали одна положительный, а другая отрицательный заряды. Заряд продолжался до тех пор, пока между обкладками конденсатора не сравнялась с напряжением батареи. Миллиамперметр, включенный последовательно в цепь, показал ток заряда конденсатора, который прекратился, как только зарядился конденсатор.

Когда же конденсатор отключили от батареи, он остался заряженным, и разность потенциалов между его обкладками была равна напряжению батареи.

Однако, как только замкнули конденсатор, он начал разряжаться, и по цепи пошел ток разряда, но уже в направлении, обратном току заряда. Это продолжалось до тех пор, пока не исчезла разность потенциалов между обкладками, т. е. пока конденсатор не разрядился.

Следовательно, если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то в цепи пойдет ток только в момент заряда конденсатора, а в дальнейшем тока в цепи не будет, так как цепь будет разорвана диэлектриком конденсатора.

Поэтому говорят, что «конденсатор не пропускает постоянного тока».

Количество электричества (Q), которое можно сосредоточить на пластинах конденсатора, его емкость (С) и величина подводимого к конденсатору напряжения (U) связаны следующей зависимостью: Q = CU.

Эта формула показывает, что чем больше емкость конденсатора, тем большее количество электричества можно сосредоточить на нем, не повышая сильно напряжения на его обкладках.

Повышение напряжения при неизменной емкости также приводит к увеличению запасаемого конденсатором количества электричества. Однако если к обкладкам конденсатора подвести большое напряжение, то конденсатор может быть «пробит», т. е. под действием этого напряжения диэлектрик в каком-то месте разрушится и пропустит через себя ток. Конденсатор при этом прекратит свое действие. Чтобы избежать порчи конденсаторов, на них указывают величину допустимого рабочего напряжения.

Явление поляризации диэлектрика

Разберем теперь, что происходит в диэлектрике при заряде и разряде конденсатора и почему от диэлектрической проницаемости диэлектрика зависит величина емкости?

Ответ на этот вопрос дает нам электронная теория строения вещества.

В диэлектрике, как во всяком изоляторе, нет свободных электронов. В атомах диэлектрика электроны прочно связаны с ядром, поэтому напряжение, приложенное к пластинам конденсатора, не вызывает в его диэлектрике направленного движения электронов, т. е. электрического тока, как это бывает в проводниках.

Однако под действием сил электрического поля, созданного заряженными пластинами, электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, смещаются в сторону положительно заряженной пластины конденсатора. Атом при этом как бы вытягивается по направлению силовых линий поля. Такое состояние атомов диэлектрика называют поляризованным, а само явление - поляризацией диэлектрика.

При разряде конденсатора поляризованное состояние диэлектрика нарушается, т. е. пропадает вызванное поляризацией смещение электронов относительно ядра, и атомы приходят в свое обычное неполяризованное состояние. Установлено, что присутствие диэлектрика ослабляет поле между пластинами конденсатора.

Различные диэлектрики под действием одного и того же электрического поля поляризуются в различной степени. Чем легче поляризуется диэлектрик, тем он больше ослабляет поле. Поляризация воздуха, например, приводит к меньшему ослаблению поля, чем поляризация любого другого диэлектрика.

Но ослабление поля между пластинами конденсатора позволяет сосредоточить на них большее количество электричества Q при одном и том же напряжении U, что в свою очередь, приводит к увеличению емкости конденсатора, так как С= Q / U.

Итак, мы пришли к выводу - чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, тем большей емкостью обладает конденсатор, содержащий в своем составе этот диэлектрик.

Смещение электронов в атомах диэлектрика, происходящее, как мы уже говорили, под действием сил электрического поля, образует в диэлектрике, в первый момент действия поля, электрический ток, называемый током смещения . Так он назван потому, что в отличие от тока проводимости в металлических проводниках, ток смещения образуется лишь смещением электронов, передвигающихся в пределах своих атомов.

Наличие этого тока смещения приводит к тому, что конденсатор, подключенный к источнику переменного тока, становится его проводником.

Смотрите также по этой теме:

Если вещество находится в электрическом поле, то смещение ядер под действием электрических сил пренебрежимо мало, а смещение электронов, имеющих малую массу, может быть значительным.

Электростатическая индукция – явление перераспределения свободных зарядов в проводнике во внешнем поле.

Возникающие на границах проводника индукционные заряды создают поле, которое складывается с внешним:

В проводниках количество свободных электронов очень велико и поэтому их перераспределение идет до тех пор, пока и

В результате этого при электростатической индукции:

1)так как , то поверхность и объем проводника эквипотенциальны,

2) так как , то внутри проводника индукционных зарядов нет,

3)индукционные заряды появляются на поверхностях проводника и возникает результирующее поле вне проводника.

3)линии возникшего результирующего поля вне проводника перпендикулярны его поверхности.

На рис.29 представлено искажение однородного электрического поля после помещения в него незаряженного проводника произвольной формы, а на рис.30 – искажение поля положительного заряда после внесения в него незаряженного проводящего шара

Если извлечь внутреннюю часть проводника, то в процессе перераспределения свободных электронов ничего не изменится, поэтому аналогичные явления наблюдаются для любых проводников и сплошных, и полых, и даже в виде металлической сетки.

Такие же процессы происходят и при внесении в электрическое поле заряженных проводников.

РИС.29 РИС.30 РИС.31

Если внутри полого проводника, например сферической оболочки, находится точечный заряд q, то в проводнике также наблюдается электростатическая индукция (рис.31).

Выберем замкнутую поверхность внутри проводника, так как результирующее поле внутри равно нулю, то поток должен также быть равен нулю.

Внутри выбранной поверхности находится точечный заряд и индукционные заряды. Тогда:

Это значит, что величина индукционного заряда на внутренней поверхности проводника равна величине точечного заряда. По закону сохранения заряда такова же величина индукционного заряда на внешней поверхности проводника.

Так как поверхность проводника эквипотенциальна, то линии результирующего поля как внутри него, так и снаружи перпендикулярны поверхности.

Под термином «заземление» понимают соединение проводника с очень большим удаленным телом (на практике – с поверхностью земли). В этом случае заряды с внешней поверхности проводника «уходят» и проводник может служить электростатической защитой внешнего пространства от поля внутреннего заряда.

САМОСТ. VI: 1.Теорема Ирншоу

2.Использование проводников в качестве электростатической защиты.

3.Устройство и использование электростатического генератора Р. Ван-де-Граафа.