Провідник в електростатичному полі. Провідники, напівпровідники, діелектрики

Речовиною, що мають вільні частинки з зарядом, що рухаються по тілу за рахунок діючого електричного поля впорядковано, називають провідник в електростатичному полі. А заряди частинок називають вільними. Діелектрики, навпаки, їх не мають. Провідники та діелектрики мають різну природу і властивості.

Провідник

Провідники В електростатичному полі — метали, лужні, кислі і сольові розчини, а також іонізовані гази. Носії вільних зарядів у металах — це вільні електрони. При вступі в однорідне електричне поле, де метали - провідники без заряду, почнеться рух у напрямку, яке протилежно вектору напруги поля. Накопичуючись на одній стороні, електрони створять негативний заряд, а на іншій стороні недостатня їх кількість стане причиною появи надлишкового позитивного заряду. Вийде, що заряди розділяться. Некомпенсовані різні заряди виникають під впливом зовнішнього поля. Таким чином, вони індуковано, а провідник в електростатичному полі залишається без заряду.

Нескомпенсовані заряди

Електризація, коли заряди перерозподіляються між частинами тіла, називається електростатичною індукцією. Нескомпенсовані електричні заряди утворюють своє тіло, напруженості внутрішні і зовнішні протилежні один одному. Розділяючись і потім накопичуючись на протилежних частинах провідника, напруженість внутрішнього поля зростає. В результаті воно стає нульовим. Тоді заряди врівноважуються. При цьому весь нескомпенсований заряд знаходиться зовні. Цей факт використовують, щоб отримати електростатичний захист, оберігає прилади від впливу полів. Їх поміщають в сітки або заземлені корпуси з металу.

Діелектрики

Речовини без вільних електричних зарядів в стандартних умовах (тобто, коли температура не дуже висока і не низька) називаються діелектриками. Частинки в цьому випадку не можуть пересуватися по тілу і зміщуються тільки трохи. Тому електричні заряди тут пов'язані. Діелектрики поділяються на групи в залежності від молекулярної будови. Молекули діелектриків першої групи асиметричні. До них відноситься і звичайна вода, і нітробензол, і спирт. Їх позитивні і негативні заряди не збігаються. Вони виступають у ролі електричних диполів. Такі молекули вважаються полярними. Їх електричний момент дорівнює кінцевому значенню при всіх різних умовах. Друга група складається з діелектриків, у яких молекули мають симетричне будова. Це парафін, кисень, азот. Позитивні і негативні заряди в них мають схоже значення. Якщо зовнішнього електричного поля немає, то і електричний момент теж відсутня. Це неполярні молекули. Різнойменні заряди в молекулах у зовнішньому полі мають зміщені центри, спрямовані в різні сторони. Вони перетворюються в диполі і отримують ще один електричний момент. Діелектрики третьої групи мають кристалічну будову з іонів. Цікаво, як веде себе диполь у зовнішньому однорідному полі (адже він є молекулою, що складається з неполярних і полярних діелектриків). Будь заряд диполя наділений силою, кожна з яких має один і той же модуль, але різне спрямування (протилежне). Утворюються дві сили, що мають обертальний момент, під дією якого прагне диполь повернутися таким чином, щоб напрямок векторів збігалося. У результаті він одержує напрямок зовнішнього поля.
У неполярном діелектрику зовнішнього електричного поля немає. Тому молекули позбавлені електричних моментів. В полярному діелектрику тепловий рух утворюється в повному безладді. З-за цього електричні моменти мають різне спрямування, а їх векторна сума — нульова. Тобто діелектрик не має електричного моменту.

Діелектрик в однорідному електричному полі

Помістимо діелектрик в однорідне електричне поле. Ми вже знаємо, що диполі — це молекули полярних і неполярних діелектриків, які спрямовані в залежності від зовнішнього поля. Їхньої вектори впорядковані. Тоді сума векторів не є нульовий, і діелектрик має електричний момент. Всередині нього є позитивні і негативні заряди, які взаимокомпенсирумы і знаходяться близько один від одного. Тому діелектрик і не отримує заряд. Протилежні поверхні мають нескомпенсовані поляризаційні заряди, які дорівнюють, тобто діелектрик поляризується. Якщо взяти іонний діелектрик і помістити в електричне поле, то решітка кристалів з іонів в ній трохи зміститься. В результаті діелектрик іонного типу отримає електричний момент. Поляризаційні заряди утворюють своє електричне поле, яке має протилежний напрямок з зовнішнім. Тому напруженість електростатичного поля, яке утворюється зарядами, поміщеними в діелектрик, виходить менше, ніж у вакуумі.

Провідник

Інша картина складеться з провідниками. Якщо провідники електричного струму внести в електростатичне поле, в ньому виникне короткочасний струм, так як діючі на вільні електричні заряди сили будуть сприяти виникненню руху. Але також всім відомий закон термодинамічної незворотності, коли будь макропроцесс в замкнутій системі і рух повинні в підсумку закінчитися, а система зрівноважитися.
Провідник в електростатичному полі — це тіло з металу, де електрони починають рух проти силових ліній і почнуть накопичуватися ліворуч. Провідник праворуч втратить електрони і отримає позитивний заряд. При розподілі зарядів він знайде своє електричне поле. Це називається електростатичною індукцією. Всередині провідника напруженість електростатичного поля нульова, що легко довести, рухаючись від зворотного.

Особливості поведінки заряду

Заряд провідника скупчується на поверхні. Крім того, він розподіляється таким чином, що щільність заряду орієнтується на кривизну поверхні. Тут вона буде більше, ніж в інших місцях. Провідники та напівпровідники мають кривизну більше всього на вістрях кута, крайках і заокругленнях. Тут же спостерігається і велика щільність заряду. Поряд з її збільшенням зростає і напруженість поруч. Тому тут створюється сильне електричне поле. З'являється коронний заряд, з-за чого стікаються заряди від провідника. Якщо розглянути провідник в електростатичному полі, у якого вилучено внутрішня частина, виявиться порожнину. Від цього нічого не зміниться, тому що поля як не було, так і не буде. Адже в порожнині вона відсутня за визначенням.

Висновок

Ми розглянули провідники та діелектрики. Тепер ви можете зрозуміти їх відмінності та особливості прояву якостей у схожих умовах. Так, в однорідному електричному полі вони ведуть себе зовсім по-різному.