Проводники в электростатическом поле. Поле внутри проводника и у его поверхности. Распределение зарядов в проводнике. Электростатическая защита. Электростатическая индукция

Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить, то заряды проводника начнут перемещаться. Перемещение зарядов продолжается до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в нуль. Это происходит в течение очень короткого времени. В самом деле, если бы поле не было равно нулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение электронов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии. Итак, напряженность поля во всех точках внутри проводника равна нулю:

=0.

Отсутствие поля внутри проводника означает, что потенциал во всех точках внутри проводника - постоянен, т.е. поверхность проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной. Отсюда же следует, что вектор напряженности поля на внешней поверхности проводника направлен по нормали в каждой точке его поверхности. Если бы это было не так, то под действием касательной составляющей заряды начали бы перемещаться по поверхности проводника, что, в свою очередь, противоречило бы равновесному распределению зарядов.

Если проводнику сообщить некоторый заряд q, то нескомпенсированные заряды располагаются только на поверхности проводника. Это следует непосредственно из теоремы Гаусса (8.9.3.), согласно которой заряд q, находящийся внутри проводника в некотором объеме, ограниченном произвольной замкнутой поверхностью, равен нулю, так как во всех точках внутри поверхности D=0.

Найдем взаимосвязь между напряженностью E поля вблизи поверхности заряженного проводника и поверхностной плотностью зарядов на его поверхности. Для этого применим теорему Гаусса к бесконечно малому цилиндру с основаниями , пересекающему границу проводник-диэлектрик. Ось цилиндра ориентирована вдоль вектора (рис.8.13). Поток вектора электрического смещения через внутреннюю часть цилиндрической поверхности равен нулю, так как внутри проводника (а, следовательно, и ) равен нулю, поэтому поток вектора сквозь замкнутую цилиндрическую поверхность определяется только потоком сквозь наружное основание цилиндра. Согласно теореме Гаусса, этот поток ( ) равен сумме зарядов ( ), охватываемых поверхностью: = , т.е.

(8.10.1.)

или

, (8.10.2.)

где - диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник.

Таким образом, напряженность электростатического поля у поверхности проводника определяется поверхностной плотностью зарядов. Можно показать, что соотношение (8.10.2.) задает напряженность электростатического поля вблизи поверхности проводника любой формы.

Если во внешнее электростатическое поле внести нейтральный проводник, то свободные заряды (электроны, ионы) будут перемещаться: положительные - по полю, отрицательные - против поля (рис.8.14,а). На одном конце проводника будет скапливаться избыток положительного заряда, на другом - избыток 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 к его поверхности (рис.8.14,б). Таким образом, нейтральный проводник, внесенный в электростатическое поле, разрывает часть линий напряженности: они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника.

Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

Из рис.8.14,б следует, что индуцированные заряды появляются на проводнике вследствие смещения их под действием внешнего поля, т.е. является поверхностной плотностью смещенных зарядов. По (8.10.1.) электрическое смещение D вблизи проводника численно равно поверхностной плотности смещенных зарядов. Поэтому вектор получил название вектора электростатического смещения.

Так как в состоянии равновесия заряды распределены по поверхности проводника, то создание внутри него полостей не повлияет на конфигурацию расположения зарядов и тем самым на электростатическое поле. Следовательно, внутри полости поле будет отсутствовать. Если теперь 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, измерительных приборов, от влияния внешних электростатических полей. Вместо сплошного проводника для защиты может быть использована густая металлическая сетка, которая, кстати, является эффективной при наличии не только постоянных, но и переменных электрических полей.