В какой части поверхности проводника поверхностная плотность зарядов максимальна

15. Проводники в электрическом поле поверхностная плотность индуцированных зарядов

Проводниками называют вещества, содержащие свободные заряженные частицы, которые могут упорядоченно двигаться под действием электрического поля. Типичным примером проводника является любой металл, где электроны свободно перемещаются между узлами кристаллической решетки. Поместим незаряженный металл в однородное электростатическое поле . Под влиянием поля свободные электроны проводника начнут перемещаться про­тив поля (рис.1.23). В результате в данном случае левая часть проводника заря­дится отрицательно, а правая, на которой окажется недостаток электронов — поло­жительно. Это явление называется электростатической индукцией. Индуцирован­ные заряды создадут внутри проводника свое поле , направленное противопо­ложно внешнему . Перераспределение зарядов в проводнике будет происходить до тех пор, пока поле не скомпенсирует . При этом суммарная напряженность поля внутри проводника станет равной нулю и движение зарядов прекратится. Если бы поле не было равно нулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии. Так как внутри проводника , то . Это означает, что все точки внутри проводника имеют одинаковый потенциал, т.е. проводник является эквипотенциальным те­лом.

На поверхности проводника напряжен­ность поля перпендикулярна к ней, т.е. , где — нормальная (т.е. перпендикулярная к поверхности) составля­ющая напряженности. При этом — тангенциальная (касательная к поверхности) составляющая напряженности равна нулю, так как в против­ном случае свободные электроны продолжали бы перемещаться на поверхности под действием , а этого не происходит. Т.е. , где dl — элемент длины поверхности проводника. Отсюда , т.е. поверх­ность проводника тоже эквипотенциальна. Таким образом внутри проводника и на его поверхности, т.е. имеется разрыв непрерывности на поверхно­сти проводни­ка, что объясняется наличием поверхностной плотности заряда s. Введение незаряженного проводника в однородное электростатическое поле искажает его: вблизи проводника оно становится неоднородным.

Если проводник заряжен, то сообщенные ему заряды будут удаляться друг от друга под действием кулоновских сил отталкивания и распределяться только на по­верхности проводника. Внутри проводника не скомпенсированных зарядов не будет. Проведем внутри проводника произвольную замкнутую поверхность S. По теореме Гаусса следует . Так как Е внутри проводника нет, то и .

Рис.1.24. К определению на­пряженности поля Е вблизи поверхности заряженного проводника.

Определим напряженность поля вблизи заряженного проводника. Для этого выделим на его поверхности S малую площадку dS и построим не ней цилиндр с об­разующей l перпендикулярной поверхности и основаниями равными dS (рис.1.24). По­ток напряженности электрического поля через боковую поверхность цилиндра равен нулю, так как параллельна l. Поток через нижнее основание тоже равен нулю, так как внутри проводника поля нет. Таким образом, поток через верхнее осно­вание цилиндра и есть суммарный поток через всю цилиндрическую поверх­ность. Применяя теорему Гаусса, получим , , где s — поверхностная плотность смещенных зарядов. Смещенные индуцированные заряды появляются на поверхности проводника, вследствие их перемещения под дей­ствием электрического поля. Из полученной формулы можно сделать следую­щий вы­вод: напряженность поля вблизи поверхности заряженного проводника опреде­ляется поверхностной плотностью зарядов, находящихся на нем.

Если проводник находится в среде с диэлектрической проницаемостью e, то . Так как , то D = s. Следовательно, электростатическое смещение (или индукция) численно равно поверхностной плотности смещенных зарядов на поверхности проводника. Поэтому вектор и назвали вектором электрического смеще­ния.

Распределение зарядов на поверхности проводника, т.е. величина s, зависит только от его формы. Наибольшая плотность заряда (в силу отталкивания одноименных за­ря­дов) оказывается на наиболее выпуклых местах поверх­нос­ти — на ребрах и остриях. Вблизи этих мест напряжен­ность поля Е максимальна.

Свойство зарядов располагаться на внешней поверхности проводника используется для устройства электростатических генераторов, предназначенных для накопления больших зарядов и достижения разности потенциалов в несколько миллионов вольт. Электростатические генераторы применяются в высоковольтных ускорителях заряженных частиц, а также в слаботочной высоковольтной технике

На больших расстояниях от проводника эквипотенциальные поверхности имеют характерную для точечного заряда форму сферы. По мере приближения к проводнику эквипотенциальные поверхности становятся все более сходными с поверхностью проводника, которая является эквипотенциальной. Вблизи выступов эквипотенциальные поверхности располагаются гуще, значит, и напряженность поля здесь больше. Следовательно, плотность зарядов здесь особенно велика. К этому же выводу можно прийти, учтя, что из-за взаимного отталкивания заряды стремятся расположиться как можно дальше друг от друга.

Вблизи углублений в проводнике эквипотенциальные поверхности расположены реже . Соответственно, напряженность поля и плотность зарядов в этих местах будет меньше.

Плотность зарядов при данном потенциале проводника растет с увеличением положительной кривизны (выпуклости) и убывает с увеличением отрицательной кривизны (вогнутости).

Если во внешнее электростатическое поле внести нейтральный проводник, то свободные заряды (электроны, ионы) будут перемещаться: положительные – по полю, отрицательные – против поля.

На одном конце проводника будет скапливаться избыток положительного заряда, на другом – отрицательного. Эти заряды называются индуцированными. Процесс будет происходить до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника – перпендикулярными его поверхности.

Нейтральный проводник, внесенный в электрическое поле, разрывает часть линий напряженности; они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных. Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией. Индуцированные заряды появляются на проводнике вследствие смещения их под действием поля, т.е. является поверхностной плотностью смещенных зарядов.

Так как в состоянии равновесия заряды внутри проводника отсутствуют, то создание внутри него полости не повлияет на конфигурацию расположения зарядов и тем самым на электростатическое поле. Следовательно, внутри полости поле будет отсутствовать. Если этот проводник с полостью заземлить, то потенциал во всех точках полости будет нулевым, т.е. полость полностью изолирована от влияния внешних электростатических полей. На этом основана электростатическая защита – экранирование тел, например электрических приборов, от влияния внешних электростатических полей. Вместо сплошного проводника для защиты может быть использована густая металлическая сетка. При этом поля по обе стороны оболочки не зависят друг от друга.

Полый проводник экранирует поле только внешних зарядов. Если заряды находятся внутри полости, то индуцированные заряды возникнут на внешней и внутренней поверхностях проводника. При этом заряды распределятся так, чтобы результирующее поле зарядов внутри полости и индуцированных зарядов в любой точке в толще проводника было равно нулю. Внутри полости поле не будет равно нулю.

13 Распределение зарядов в проводнике. Связь между напряжённостью поля у поверхности проводника и поверхностной плотность зарядов.

Вещество с большой концентрацией свободных зарядов – проводник. Одноименные свободные заряды заряженного проводника, отталкиваясь др. от др., расходятся на возможно большие расстояния. Следовательно, они располагаются на поверхности проводника. Заряды располагаются на внешней поверхности заряженного тела. Поверхностная плотность заряда зависит от формы проводника и различна в разных его точках. Поверхностная плотность зарядов максимальна на выпуклостях заряженного проводника и практически равна нулю на вогнутостях. Потенциал всех точек одинаков, а поверхностная плотность зарядов разная на проводнике сложной формы. Если на проводнике найдутся любые две точки с разными потенциалами, то в соответствии с появится напряженность поля, отличная от нуля, на свободные заряды подействует сила , и они начнут двигаться, след-но поверхность проводника эквипотенцальна (в условиях электростатичности). Это справедливо и для точек внутри проводника, т.к. Е=0 — потенциал одинаков у всех точек внутри проводника.

Поток индукции равен сумме зарядов. Поток смещения: . , поверхностная плотность заряда. Разные проводники заряженные одинаковым эл-ом имеют разные потенциалы.

14. Электрическая емкость. Конденсатор. Электроемкость – величина измеряемая зарядом, изменяющим потенциал данного проводника на 1: .

заряд, изменяющий потенциал данного проводника на единиц потенциала.

Одна Фарада (Ф) – электроемкость такого проводника, потенциал которого изменяется на 1 В зарядом 1 Кл. Емкость уединенного проводника не зависит от его массы и от материала проводника. Емкость такого проводника зависит от его формы и размеров. Емкость уединенного проводника увеличивается в соседстве с другими незаряженными проводниками и в соседстве с диэлектриком. Емкость шара: r > R; ; . Емкость уединенного шара: . . Система состоящая из проводников разделенная диэлектриком и обладающая большой емкостью называется конденсатором. Простейшим яв-ся плоский конденсатор, поле которого можно считать однородным:

15. Соединение конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора.

Несколько соединенных конденсаторов образуют батарею. Различают последовательное и параллельное соединение конденсаторов в батареи.

Последовательным называется соединение, при котором одна пластина каждого конденсатора соединяется с одной пластиной последующего или предыдущего. Источник постоянного напряжения соединяется с левой пластиной первого и с правой – последнего конденсатора батареи. Сумма зарядов внутренних пластин остается равной 0. Разность потенциалов на батарее = сумме разностей потенциалов на конденсаторах

Величина обратная емкости батареи последовательно соединенных конденсаторов, равна сумме величин, обратных емкостям отдельных конденсаторов этой батареи. Параллельным называется соединение, при котором все конденсаторы включены между двумя определенными точками. Разности потенциалов на пластинах таких конденсаторов одинаковы и равны разности потенциалов на батарее. .

Емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей этих конденсаторов. — собственная энергия заряженного тела. Наличие энергии конденсатора обусловлено тем, что эл.поле между его обкладками обладает энергией. Энергия заряженного конденсатора пропорциональна квадрату напряженности поля и объему, который занимает поле.

В какой части поверхности проводника поверхностная плотность зарядов максимальна

Проводники это тела, в которых электрические заряды способны перемещаться под действием сколь угодно слабого электростатического поля, что приводит к появлению поля внутри проводника, равного и противоположного внешнему. Вследствие этого сообщённый проводнику заряд будет перераспределяться до тех пор, пока в любой точке внутри проводника напряженность электрического поля не станет равной нулю.

Таким образом, напряженность электрического поля внутри проводника всегда будет равна нулю.

Распределение зарядов по поверхности

Потенциал внутри проводника постоянен и одинаков.

E = dϕ/dr → dϕ/dr = 0 → ϕ = const [1] Так как напряжённость внутри проводника равна нулю (Е = 0), то потенциал внутри проводника постоянен.

На поверхности заряженного проводника вектор напряженности Е должен быть направлен перпендикулярно к этой поверхности, иначе под действием составляющей, касательной к поверхности (E_t), заряды перемещались бы по поверхности проводника.

Таким образом, при условии статического распределения зарядов, напряженность на поверхности: E = E_n, E_t = 0 [2] где E_n — нормальная составляющая напряженности,
E_t — составляющая напряженности, направленная касательно к поверхности.

Из равенств [1] и [2] следует, что при равновесии зарядов поверхность проводника является эквипотенциальной.

В заряженном проводнике нескомпенсированные заряды располагаются только на поверхности проводника.

Представим внутри проводника произвольную замкнутую поверхность S, ограничивающую некоторый внутренний объём проводника. Согласно теореме Гаусса, суммарный заряд этого объёма равен:
Таким образом, в состоянии равновесия внутри проводника избыточных зарядов нет.

Поэтому если мы удалим вещество из некоторого объёма, взятого внутри проводника, это никак не отразится на равновесном расположении зарядов. Таким образом, избыточный заряд распределяется на полом проводнике так же, как и на сплошном, т.е. по его наружной поверхности. На внутренней поверхности избыточные заряды располагаться не могут.

Исследуя величину напряжённости электрического поля вблизи поверхности заряженных тел различной формы можно судить и о распределении зарядов по поверхности — плотность зарядов при данном потенциале проводника определяется кривизной поверхности – она растёт с увеличением положительной кривизны (выпуклости) и убывает с увеличением отрицательной кривизны (вогнутости). Особенно велика бывает плотность на остриях. Напряженность поля вблизи остриёв может быть настолько большой, что происходит ионизация молекул окружающего газа. При этом заряд проводника уменьшается, он как бы стекает с острия.

Проводники во внешнем электрическом поле.

В проводниках могут свободно перемещаться не только заряды, принесённые извне, но и заряды, из которых состоят атомы и молекулы проводника (электроны и ионы). Поэтому при помещении незаряженного проводника во внешнее электрическое поле свободные заряды будут перемещаться к его поверхности, положительные по полю, а отрицательные против поля. В результате у концов проводника возникают заряды противоположного знака, называемые индуцированными зарядами. Это явление, состоящее в электризации незаряженного проводника во внешнем электростатическом поле путём разделения на этом проводнике уже имеющихся в нём в равных количествах положительных и отрицательных электрических зарядов называется электростатической индукцией.

Перемещение зарядов в проводнике помещённом во внешнее электрическое поле Е₀ будет происходить до тех пор, пока создаваемое индукционными зарядами дополнительное поле Е_доп. не скомпенсирует внешнее поле Е₀ во всех точках внутри проводника и результирующее поле Е внутри проводника станет равным нулю.

Суммарное поле Е вблизи проводника будет заметно отличаться от своего первоначального значения Е₀. Линии Е будут перпендикулярны к поверхности проводника и будут частично кончаться на индуцированных отрицательных зарядах и вновь начинаться на индуцированных положительных зарядах.

Индуцированные на проводнике заряды исчезают, когда проводник удаляют из электрического поля. Если предварительно отвести индуцированные заряды одного знака на другой проводник (например в землю) и отключить последний , то первый проводник останется заряженным электричеством противоположного знака.

Отсутствие поля внутри проводника, помещённого в электрическое поле, широко применяется в технике для электростатической защиты от внешних электрических полей (экранировки) разных электрических приборов и проводов. Когда какой-то прибор хотят защитить от воздействия внешних полей, его окружают проводящим футляром (экраном).

Подобный экран действует хорошо и в том случае, если его сделать не сплошным, а в виде густой сетки — именно так устроена «клетка Фарадея»

Проводники в электрическом поле

В проводниках — в металлах и электролитах, есть носители заряда. В электролитах это ионы, в металлах — электроны. Эти электрически заряженные частицы способны под действием внешнего электростатического поля перемещаться по всему объему проводника. Электроны проводимости в металлах, возникающие при конденсации паров металла, благодаря обобществлению валентных электронов, являются в металлах носителями заряда.

Напряженность и потенциал электрического поля в проводнике

В отсутствие внешнего электрического поля металлический проводник электрически нейтрален, поскольку внутри него электростатическое поле полностью компенсировано отрицательными и положительными зарядами внутри его объема.

Если внести металлический проводник во внешнее электростатическое поле, то электроны проводимости внутри проводника начнут перераспределяться, они придут в движение, и переместятся так, что всюду внутри объема проводника поле положительных ионов и поле электронов проводимости скомпенсирует в конце концов внешнее электростатическое поле.

Таким образом, внутри проводника, находящегося во внешнем электростатическом поле, в любой его точке, напряженность электрического поля E будет равна нулю. Разность потенциалов внутри проводника также будет равна нулю, то есть потенциал внутри станет постоянным. То есть видим, что диэлектрическая проницаемость металла стремится к бесконечности.

Но на поверхности проводника напряженность E будет направлена по нормали к этой поверхности, ибо в противном случае, составляющая напряженности, направленная по касательной к поверхности проводника привела бы к перемещению зарядов по проводнику, что противоречило бы реальному, статическому из распределению. Снаружи, вне проводника, электрическое поле есть, значит есть и вектор E, перпендикулярный поверхности.

В итоге, в установившемся состоянии, помещенный во внешнее электрическое поле металлический проводник будет иметь на своей поверхности заряд противоположного знака, а процесс этого установления длится наносекунды.

На том принципе, что внутрь проводника внешнее электрическое поле не проникает, основано электростатическое экранирование. Напряженность внешнего электрического поля Е компенсируется нормальным (перпендикулярным) электрическим полем на поверхности проводника En, а напряженность по касательной Eт равна нулю. Получается, что проводник в этой ситуации полностью эквипотенциален.

В любой точке такого проводника φ = const, поскольку dφ/dl = — E = 0. Поверхность проводника также эквипотенциальна, поскольку dφ/dl = — Eт = 0. Потенциал поверхности проводника равен потенциалу его объема. Нескомпенсированные заряды заряженного проводника, в такой ситуации, располагаются лишь на его поверхности, где носители заряда расталкиваются между собой кулоновскими силами.

Согласно теореме Остроградского-Гаусса, суммарный заряд q внутри объема проводника равен нулю, поскольку E = 0.

Определение напряженности электрического поля вблизи проводника

Если выделить на поверхности проводника площадку dS, и построить на ней цилиндр с перпендикулярными к поверхности образующими высотой dl, то будем иметь dS’=dS»=dS. Вектор напряженности электрического поля E перпендикулярен к поверхности, как и вектор электрического смещения D, пропорциональный E, следовательно поток D через боковую поверхность цилиндра будет нулевым.

Поток вектора электрического смещения Фd через dS» тоже равен нулю, поскольку dS» расположена внутри проводника, а там E = 0, значит и D = 0. Следовательно dФd сквозь замкнутую поверхность равен D через dS’, dФd = Dn*dS. С другой стороны, по теореме Остроградского-Гаусса: dФd = dq = σdS, где σ — поверхностная плотность зарядов на dS. Из равенства правых частей уравнений следует, что Dn = σ, и тогда En = Dn/εε0 = σ/εε0.

Вывод: Напряженность электрического поля вблизи поверхности заряженного проводника прямопропорциональна поверхностной плотности зарядов.

Экспериментальная проверка распределения заряда на проводнике

В местах с разной напряженностью электрического поля бумажные лепестки будут расходиться по-разному. На поверхности меньшего радиуса кривизны (1) — максимально, на боковой поверхности (2) — одинаково, здесь q = const, то есть заряд распределен равномерно.

Электрометр — прибор для измерения потенциала и заряда проводника, показал бы, что на острие заряд максимальный, на боковой поверхности — меньше, а заряд с внутренней поверхности (3) — нулевой. Напряженность электрического поля на острие заряженного проводника наибольшая.

Поскольку на остриях напряженность электрического поля E велика, это приводит к утечке заряда и к ионизации воздуха, по этой причине, данное явление является зачастую нежелательным. Ионы уносят электрический заряд с проводника, возникает эффект ионного ветра. Наглядные демонстрации отражающие этот эффект: сдувание пламени свечи и колесо Франклина. Это хорошая основа для построения электростатического двигателя.

Если металлический заряженный шарик привести в соприкосновение с поверхностью другого проводника, то от шарика заряд частично передастся проводнику, и потенциалы этого проводника и шарика выровняются. Если же шарик привести в соприкосновение с внутренней поверхностью полого проводника, то весь заряд с шарика распределится полностью только по внешней поверхности полого проводника.

Так произойдет независимо от того, больше потенциал шарика чем у полого проводника или меньше. Даже если потенциал шарика до соприкосновения меньше, чем потенциал полого проводника, заряд с шарика перетечет полностью, поскольку при перемещении шарика в полость, экспериментатором будет совершена работа по преодолению сил отталкивания, то есть потенциал шарика будет расти, потенциальная энергия заряда возрастет.

В итоге, заряд перетечет от большего потенциала к меньшему. Если переносить теперь к полому проводнику следующую порцию заряда на шарике, то потребуется еще большая работа. В данном эксперименте наглядно отражается то, что потенциал является энергетической характеристикой.

Роберт Ван Де Грааф

Роберт Ван Де Грааф (1901 — 1967) — гениальный американский физик. В 1922 году Роберт окончил университет Алабамы, позже, с 1929 по 1931 год, работал в Принстонском университете, а с 1931 по 1960 — в Массачусетском технологическом институте. Ему принадлежит ряд научных исследований по ядерной и ускорительной технике, идея и реализация тандемного ускорителя ионов, а также изобретение высоковольтного электростатического генератора, генератора Ван Де Граафа.

Принцип работы генератора Ван Де Граафа несколько напоминает эксперимент с перенесением заряда шариком в полую сферу, как в описанном выше эксперименте, но здесь процесс автоматизирован.

Лента транспортера заряжается положительно при помощи высоковольтного источника постоянного напряжения, затем заряд с движением ленты переносится внутрь большой металлической сферы, где острием же передается ей, и распределяется по внешней сферической поверхности. Так получают потенциалы относительно земли в миллионы вольт.

В настоящее время существуют ускорительные генераторы Ван Де Граафа, например в НИИ ядерной физики в Томске есть ЭСГ такого типа на миллион вольт, который установлен в отдельной башне.

Электрическая емкость и конденсаторы

Как упоминалось выше, при сообщении проводнику заряда, на его поверхности появится некоторый потенциал φ. И у разных проводников этот самый потенциал будет различаться, даже если количество сообщаемого проводникам заряда будет одинаковым. В зависимости от формы и размеров проводника, потенциал может быть разным, однако так или иначе, он будет пропорционален заряду, а заряд будет пропорционален потенциалу.

Коэффициент пропорциональности называется электрической емкостью, электроемкостью, или просто емкостью (когда это со всей очевидностью подразумевается контекстом).

Электроемкостью называется физическая величина, равная численно заряду, который нужно сообщить проводнику, чтобы изменить его потенциал на единицу. В системе СИ электроемкость измеряется в фарадах (сейчас «фарад», раньше было «фарада»), и 1Ф = 1Кл/1В. Так, потенциал поверхности сферического проводника (шара) равен φш = q/4πεε0R, значит Сш = 4πεε0R.

Если принять R равным радиусу Земли, то электроемкость Земли, как уединенного проводника получится равной 700 мкф. Важно! Это электроемкость Земли, как уединенного проводника!

Если к одному проводнику поднести другой проводник, то из-за явления электростатической индукции электроемкость проводника возрастет. Так, два проводника, расположенные близко друг к другу, и представляющие собой обкладки, называются конденсатором.

Когда электростатическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора, то есть внутри него, внешние тела не оказывают влияния на его электроемкость.

Конденсаторы бывают плоскими, цилиндрическими и сферическими. Поскольку электрическое поле сосредоточено внутри, между обкладками конденсатора, линии электрического смещения начинаясь на положительно заряженной обкладке конденсатора, заканчиваются на отрицательно заряженной его обкладке. Следовательно, заряды обкладок противоположны по знаку, но по величине одинаковы. И емкость конденсатора С = q/(φ1-φ2) = q/U.

Формула емкости плоского конденсатора (для примера)

Поскольку напряженность электрического поля E между обкладками равна E = σ/εε0 = q/εε0S, а U = Ed, тогда C = q/U = q/(qd/εε0S) = εε0S/d.

S – площадь обкладок; q – заряд конденсатора; σ — плотность заряда; ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками; ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума.

Энергия заряженного конденсатора

Замыкая обкладки заряженного конденсатора между собой проволочным проводником, можно наблюдать ток, который может быть такой силы, что мгновенно расплавит проволоку. Очевидно, конденсатор запасает энергию. Какова эта энергия количественно?

Если конденсатор заряжен, и затем разряжается, то U’ – мгновенное значение напряжения на его обкладках. При прохождении между обкладками заряда dq, будет совершена работа dA = U’dq. Работа эта численно равна убыли потенциальной энергии, значит dA = — dWc. А поскольку q = CU, то dA = CU’dU’, и полная работа А = ∫ dA. Проинтегрировав данное выражение, предварительно сделав подстановку, получим Wc = CU 2 /2.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: