Электростатическая защита

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ПРОВОДНИКОВ

План

1. Распределение свободных зарядов в проводнике. Электрическое поле внутри проводника и у его поверхности.

2. Электростатическая защита.

3. Электроемкость уединенного проводника, системы проводников, плоского конденсатора.

4. Энергия системы точечных зарядов, заряженного проводника и конденсатора.

5. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии электростатического поля.

1. Распределение свободных зарядов в проводнике. В заряженном проводнике избыточные зарядырасполагаются на его поверхности вследствие кулоновского отталкивания. Одноименные заряды отталкиваются и стремятся расположиться как можно дальше друг от друга.

Как показывает опыт, распределение зарядов по поверхности проводника не равномерно и существенно зависит от формы его поверхности. Плотность зарядов невелика там, где кривизна незначительна или даже отрицательна. Для случая электростатики напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю ( ), иначе заряды в проводнике перемещались бы под действием сколь угодно малого поля, а это уже электрический ток. Это означает, что потенциал внутри проводника должен быть постоянным. ( ). Следовательно, в случае равновесия зарядов поверхность проводника должна быть эквипотенциальной.На поверхности проводника напряженность поля должна быть направлена перпендикулярно (иначе вдоль поверхности потечет ток).

Электрические заряды располагаются на поверхности проводника с некоторой плотностью , создают вне проводника электрическое поле. Представим небольшую цилиндрическую поверхность, образованную нормалями к поверхности проводника и достаточно малыми основаниями , одно из которых располагается внутри, а другое вне проводника (рис. 19.1). Поток вектора электрического смещения через внутреннюю часть поверхности равен нулю, так как внутри проводника , а значит .

Рис. 19.1

Вне проводника в непосредственной близости к нему напряженность направлена по нормали к поверхности , а значит . Теорема Гаусса для вектора (над поверхностью проводника может быть диэлектрик)

где ; тогда . Так как , получаем , откуда:

Напряженность электрического поля вблизи поверхности проводника пропорциональна поверхностной плотности заряда .

Вблизи выпуклых частей тел поле может быть настолько большим, что происходит ионизация окружающего атмосферного воздуха и коронный разряд.

Электростатическая защита.

При внесении незаряженного проводника в электрическое поле происходит разделение зарядов, свободные заряды образуют на одной стороне избыток отрицательных зарядов, а на другой – избыток положительных зарядов (рис. 19.2).

Это явление называется электростатической индукцией, а заряды – индуцированными зарядами. При равновесном состоянии поле внутри проводника равно нулю. Линии напряженности вне проводника перпендикулярны к его поверхности. Нейтральный проводник, внесенный в электрическое поле, разрывает часть линий напряженности – они начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах. Внутри поле отсутствует.

Рис. 19.2

На свойстве проводников экранировать внешние поля основывается электростатическая защита от действия внешних электростатических полей. Когда какой – либо прибор хотят защитить от воздействия внешних полей, его окружают проводниковым экраном. Внешнее поле компенсируется внутри экрана возникающего на его поверхности электрическими зарядами. При этом экран может быть не сплошным, а в виде густой сетки.

Заметим, что если заряды находятся внутри полости, то они вызывают возникновение индукционных зарядов и на внутренней и на внешней поверхности проводника. Поле внутри полости в этом случае отлично от нуля.