Электрические взаимодействия. Напряжённость электрического поля. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Вблизи однородно заряженной пластины напряжённость электрического поля одинакова (по модулю и по направлению) во всех точках пространства (рис. 6). Такое электрическое поле называют однородным.

Линии напряжённости однородного электрического поля параллельные прямые, расположенные на равных расстояниях друг от друга. Таким образом, поле, созданное точечным зарядом, неоднородное: чем дальше от заряда, тем поле слабее.

На рисунке 7 изображены линии напряжённости электрического поля в пространстве между двумя одинаковыми равномерно заряженными параллельными пластинами с равными по модулю, но противоположными по знаку зарядами.

В пространстве между пластинами напряжённость поля в 2 раза больше, чем напряжённость поля, создаваемого каждой из пластин, а вне пластин практически равна нулю.

На рисунке 8 изображены линии напряжённости электрического поля равномерно заряженной металлической сферы. Вне сферы это поле совпадает с полем точечного заряда, равного суммарному заряду сферы и расположенного в центре сферы, а внутри сферы напряжённость поля равна нулю.

Пример 4

Условие

Электрический заряд 6 нКл равномерно распределён по поверхности металлической сферы радиусом 5 см . Чему равна по модулю напряжённость созданного этим зарядом поля: а) на расстоянии 3 см от центра сферы; б) на расстоянии 6 см от центра сферы?

Решение

а) Так как

a_{1}=3 \text{ см}<R=5 \text{ см},

то на расстоянии a_{1} от центра сферы напряжённость созданного заряженным шаром поля равна нулю.

б) На расстоянии a_{2}=6 \text{ см} от центра сферы напряжённость совпадает с полем точечного заряда, равного суммарному заряду сферы и расположенного в центре сферы:

E=\frac{k|q|}{a_{2}^{2}}=\frac{9 \cdot 10^{9} \cdot 6 \cdot 10^{-9}}{0,06^{2}}=15 \text{ кН/Кл}.

5. Проводники в электрическом поле

Лучшие проводники - металлы. Носителями заряда в них являются свободные электроны. Ими становятся внешние электроны атомов, которые настолько слабо связаны с ядрами атомов, что могут свободно перемещаться в пределах всего металлического образца.

Если металлический предмет внести в электрическое поле, в этом предмете благодаря наличию в нём свободных электронов сразу же начнётся перераспределение зарядов.

Рассмотрим, что происходит, когда, например, металлический шар вносят в однородное электрическое поле (рис. 9).

Когда шар окажется в электрическом поле, свободные электроны в шаре будут двигаться противоположно линиям напряжённости электрического поля, т.к. их заряд отрицательный.

Движение свободных электронов в шаре приводит к перераспределению заряда: на левой части поверхности шара возникнет избыток электронов (появится отрицательный заряд), а на правой части поверхности - недостаток электронов (появится положительный заряд).

Вследствие перераспределения зарядов в проводнике заряды появляются на поверхности проводника. B результате перераспределения зарядов возникает поле, созданное этими зарядами.

Порождение «собственного» электрического поля, обусловленного перераспределением зарядов под действием внешнего электрического поля, называют электростатической индукцией.

Перераспределение заряда закончится, когда напряжённость результирующего поля (внешнего поля и поля, созданного зарядами, возникшими на поверхности проводника) станет равной нулю. Это происходит практически мгновенно. Отсюда следует, что при равновесии зарядов напряжённость электрического поля внутри проводника равна нулю: \vec{E}=0 .

Заряды, возникшие в проводнике при перераспределении заряда, изменяют электрическое поле не только внутри проводника, но и вне его (рис. 10). При этом линии напряжённости результирующего поля вблизи поверхности проводника становятся перпендикулярными этой поверхности.

Напряжённость результирующего электрического поля равна нулю при равновесии зарядов не только в сплошном проводнике, но и внутри полого проводника - например, внутри металлической сферы. Более того, стенки проводника даже не должны быть сплошными: они могут быть изготовлены из металлической сетки. Это используют для электростатической защить. Например, в металлическую сетку заключают чувствительные к электрическому полю приборы.

6. Диэлектрики в электрическом поле

В атомах диэлектриков электроны настолько сильно связаны со своими атомными ядрами, что не могут свободно перемещаться. Такие электроны называют связанными.

Однако молекулы диэлектриков также «чувствуют» внешнее электрическое поле: под действием этого поля они могут поворачиваться, а также изменять свою форму.

Полярные диэлектрики - диэлектрики, в молекулах которых центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают

(рис. 11). Примером полярного диэлектрика является вода. Под действием электрического поля молекула поворачивается и ориентируется вдоль линий напряжённости поля.

Неполярные диэлектрики - диэлектрики, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают (рис. 12, а). Неполярными диэлектриками являются, например, многие газы. Когда молекула неполярного диэлектрика оказывается во внешнем электрическом поле, центры распределения положительных и отрицательных зарядов смещаются под действием внешнего поля в противоположные стороны (рис. 12, б). В результате молекула неполярного диэлектрика становится подобной молекуле полярного диэлектрика: она тоже ориентируется вдоль линий напряжённости внешнего поля.

Ориентацию молекул диэлектрика вдоль линий напряжённости внешнего электрического поля называют поляризацией диэлектрика.

В результате поляризации положительный и отрицательный заряды ориентированных по внешнему полю молекул внутри диэлектрика компенсируют друг друга, но на поверхности диэлектрика появляются поверхностные заряды.

Заряды, возникшие в результате поляризации на поверхности диэлектрика, создают поле \vec{\mathrm{E}}_{\text {поляр }} , напряжённость которого направлена противоположно напряжённости внешнего поля \vec{\mathrm{E}}_{\text {внеш }} (рис. 13). Поэтому модуль напряжённости результирующего поля внутри диэлектрика будет меньше, чем модуль напряжённости внешнего поля. Таким образом, вследствие поляризации диэлектрика напряжённость электрического поля внутри диэлектрика уменьшается.

Величину, которая показывает, во сколько раз уменьшается напряжённость электрического поля внутри однородного диэлектрика по сравнению с внешним полем, называют диэлектрической проницаемостью данного диэлектрика и обозначают \boldsymbol{\varepsilon} .

Диэлектрическая проницаемость твёрдых тел и жидкостей приводится в справочных данных. Диэлектрическая проницаемость воздуха и других газов очень близка к 1 , поэтому при решении задач её принимают обычно равной 1. Уменьшение напряжённости электрического поля в диэлектрике в \varepsilon раз приводит к тому, что во столько же раз уменьшается сила взаимодействия заряженных тел, погружённых в диэлектрик, поскольку взаимодействие заряженных тел осуществляется посредством электрического поля.