Электростатический потенциал и емкость, физика 11 класс — Электростатика проводников

Электростатический потенциал и емкость. Физика 12 класса - Электростатика проводников Вещества, через которые протекает ток, называются проводниками. Проводник характеризуется наличием свободных подвижных носителей заряда: в случае металла это электроны, а в случае электролита — положительные и отрицательные ионы. В металлических проводниках дрейф обусловлен внешним электрическим полем, а в случае электролитов — как внешним электрическим полем, так и химическими силами. Мы ограничимся рассмотрением металлических проводников. Когда металлический проводник, например, металлическая пластина, помещается в электростатическое поле, свободные электроны внутри пластины подвергаются дрейфу под действием силы поля. Если поле направлено слева направо, то электроны начинают накапливаться на правой стороне, а другая сторона становится положительно заряженной. Такое перераспределение электронов вызывает возникновение внутреннего электрического поля, противоположного полю приложенного электрического поля. В состоянии равновесия, когда внутреннее электрическое поле становится равным внешнему электрическому полю, поле внутри пластины уменьшается до нуля. Таким образом, электрическое поле внутри проводника, помещенного во внешнее электрическое поле, равно нулю. На поверхности заряженного проводника электростатическое поле должно быть перпендикулярно поверхности в каждой точке. Предположим, электрическое поле расположено под некоторым углом, отличным от 90°, к поверхности заряженного проводника. Тогда вектор электрического поля в точке контакта должен иметь две компоненты: одну перпендикулярную поверхности, а другую параллельную поверхности. Безусловно, параллельная компонента будет оказывать силу на заряд, находящийся на поверхности, и заставлять его двигаться, вызывая поверхностный ток. Но в электростатике поверхностного тока нет, поэтому тангенциальная компонента всегда равна нулю, и электрическое поле всегда перпендикулярно поверхности. Внутри проводника в статическом состоянии не может быть избыточного заряда. Рассмотрим нейтральный проводник. В каждом малом объеме элемента поверхности содержится равное количество положительных и отрицательных зарядов. Для заряженного проводника избыточные заряды находятся только на поверхности в статическом состоянии. Это можно объяснить с помощью закона Гаусса. Рассмотрим любой произвольный элемент объема Δv внутри проводника. Рассмотрим гауссову поверхность ΔS, ограничивающую элемент объема Δv. Мы знаем, что электростатическое поле внутри проводника равно нулю. Очевидно, что полный электрический поток через ΔS равен нулю. Следовательно, согласно закону Гаусса, если поток через любую замкнутую область равен нулю, то внутри этой области нет заряда, и, таким образом, ΔS не содержит избыточного заряда. Электростатический потенциал постоянен по всему объему проводника и имеет то же значение (что и внутри) на его поверхности. Поскольку электрическое поле внутри проводника равно нулю, «E=0». Следовательно, работа по перемещению пробного заряда из одной точки в другую внутри проводника не совершается. Также на поверхности отсутствует тангенциальная составляющая электрического поля, поэтому и здесь работа по перемещению пробного заряда не совершается. Это означает, что между двумя точками, находящимися внутри проводника или на его поверхности, нет разности потенциалов. Электрическое поле на поверхности заряженного проводника определяется формулой: Где σ — плотность поверхностного заряда, а — единичный вектор, перпендикулярный поверхности и направленный наружу. Мы уже доказали этот результат при изучении закона Гаусса и его применений. Электростатическое экранирование Для заряженного проводника электрическое поле внутри полости всегда равно нулю; это называется электростатическим экранированием. Форма проводника и полости может меняться, но результат остается в силе. Доказательство этого результата можно привести на основе того факта, что для заряженного проводника заряды находятся на внешней поверхности полости, а внутри заряда нет. Этот эффект применяется для защиты внутренней части от внешнего электрического воздействия.