§ 54. Провідники та діелектрики в електричному полі

Електростатична індукція. Будь-яке тіло, розміщене в електричному полі, електризується. Проте процес електризації для різних речовин буде різним.

Електричні характеристики електронейтрального тіла залежать від рухливості заряджених частинок в ньому, яка, своєю чергою, визначається будовою атомів речовини та їх взаємним розміщенням.

За концентрацією вільних заряджених частинок у речовині всі речовини поділяють на три основні класи: провідники, діелектрики та напівпровідники. До провідників належать речовини, які містять заряджені частинки, що здатні рухатись впорядковано по всьому об’єму тіла під дією електричного поля, — так звані вільні заряди. Провідниками є всі метали, водні розчини солей, кислот, лугів, розплави солей, йонізовані гази.

Розглянемо поведінку в електричному полі тільки твердих металевих провідників. У металах носіями вільних зарядів є вільні електрони. Їх називають електронами провідності. Вільні електрони беруть участь у тепловому русі й можуть переміщуватися по шматку металу в будь-якому напрямку.

Помістимо незаряджений металевий провідник в однорідне електростатичне поле.

Під дією поля в ньому виникне впорядкований рух вільних електронів у напрямку, протилежному напрямку напруженості

цього поля (мал. 250). Електрони накопичуватимуться на одному боці провідника й утворять там надлишковий негативний заряд, а їх недостача на іншому боці провідника спричинить утворення там надлишкового позитивного заряду, тобто в провіднику відбудеться розподіл зарядів. Ці нескомпенсовані різнойменні заряди з’являються на провіднику лише під дією зовнішнього електричного поля, тобто такі заряди є індукованими, наведеними. А в цілому провідник залишається незарядженим. У цьому переконуємося, виймаючи провідник з електричного поля.

Мал. 250. Провідник у зовнішньому електричному полі

Вид електризації, за якого під дією зовнішніх електричних полів відбувається перерозподіл зарядів між частинами певного тіла, називають електростатичною індукцією.

Нескомпенсовані електричні заряди, що з’явилися на протилежних частинах провідника, створюють усередині провідника своє власне електричне поле напруженістю

Напрямки зовнішнього і внутрішнього полів — протилежні (мал. 250).

У результаті переміщення вільних носіїв заряду й накопичення їх на протилежних частинах провідника напруженість

внутрішнього поля збільшується і, нарешті, зрівнюється за модулем з напруженістю

зовнішнього поля. Це приводить до того, що напруженість результуючого поля всередині провідника дорівнює нулю. До того ж на провіднику встановлюється рівновага зарядів.

Електростатичний захист. За умови рівноваги зарядів на провіднику весь нескомпенсований заряд розміщується тільки на зовнішній поверхні провідника, а всередині нього електричного поля немає (мал. 251). Це явище використовують для створення електростатичного захисту — захисту від дії електричного поля. На відміну від гравітаційного поля, від електричного поля можна захиститися, якщо оточити провідник, наприклад, мідною сіткою. На практиці це використовують для захисту від потужного електричного поля радіолокаторів та радіостанцій, випромінювання яких може зашкодити здоров’ю людини; для запобігання дії електричного поля на чутливі прилади.

Мал. 251. Електричне поле сконцентроване ззовні

Види діелектриків. Діелектриками, або ізоляторами, називають такі тіла, крізь які електричні заряди не можуть переходити від зарядженого тіла до незарядженого. Ця властивість діелектриків зумовлена тим, що в них за певних умов відсутні вільні носії заряду. Якщо умови змінюються, наприклад, під час нагрівання, у діелектрику можуть виникнути вільні носії заряду й він почне проводити електрику. Отже, поділ речовин на провідники й діелектрики є умовним.

До діелектриків належать усі гази за нормальних умов, рідини (гас, спирти, ацетон, дистильована вода та ін.), тверді тіла (скло, пластмаси, сухе дерево, папір, гума тощо).

У діелектриках електричні заряди не можуть переміщуватися під дією електричного поля по всьому об’єму тіла так, як вільні заряди провідника.

Діелектрики поділяють на два види (мал. 252):

• полярні, що складаються з молекул, у яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів не збігаються (вода, спирти та ін.);
• неполярні, що складаються з атомів або молекул, у яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів збігаються (бензол, інертні гази, поліетилен та ін.).

Мал. 252. Види діелектриків: а — полярні; б — неполярні

Поляризація діелектриків. Усередині діелектрика електричне поле може існувати. Притягання незарядженого тіла (діелектрика) до зарядженого тіла пояснюється тим, що в електричному полі відбувається поляризація діелектрика, тобто зміщення в протилежні боки різнойменних зарядів, що входять до складу атомів і молекул таких речовин, але тут зміщення відбувається в межах кожного атома або молекули.

Молекули полярних діелектриків — це електричні диполі, що мають постійний дипольний момент унаслідок асиметрії центра мас позитивних і негативних зарядів (мал. 253, а).

Мал. 253. Поляризація полярного діелектрика

Якщо полярний діелектрик помістити в електричне поле, то ці диполі починають повертатися своїми позитивно зарядженими кінцями до негативно зарядженої пластини, а негативно зарядженими — до позитивно зарядженої пластини (мал. 253, б). У результаті на поверхні діелектрика біля позитивної пластини виникає досить тонкий шар негативних зарядів, а біля негативної — позитивних, які й створюють зустрічне поле (мал. 253, в). (Усередині діелектрика позитивні й негативні заряди сусідніх диполів компенсують дію один одного.) Однак на відміну від провідників це поле вже не здатне повністю скомпенсувати зовнішнє, а лише послаблює його в ε разів.

Молекули неполярних діелектриків, якщо відсутнє зовнішнє електричне поле, дипольного моменту не мають (мал. 254, а). Якщо ж неполярний діелектрик помістити в електричне поле, його молекули деформуються, у результаті чого утворюються диполі, які поводять себе, як і диполі полярного діелектрика. (У полярних діелектриках також відбувається поляризація молекул, унаслідок чого в електричному полі дипольний момент кожної молекули дещо збільшується (мал. 254, б).

Мал. 254. Деформація та орієнтація молекул неполярного діелектрика в електричному полі

Але поляризація неполярних діелектриків пояснюється лише виникненням дипольного моменту в молекулі внаслідок її деформації в зовнішньому електричному полі. Залежно від хімічного зв’язку вона може бути результатом деформації електронних оболонок окремих атомів та йонів (електронна поляризація) або наслідком зміщення позитивних і негативних йонів у різні боки вздовж силових ліній зовнішнього електричного поля (йонна поляризація). Наведений дипольний момент зростає зі збільшенням напруженості електричного поля.

Таким чином, у діелектриках, як і в провідниках, спостерігається індукція електричних зарядів. Однак, якщо в електричному полі розділити діелектрик на дві частини, то ми не одержимо різнойменно заряджених тіл. У цьому полягає відмінність індукції в діелектриках від індукції в провідниках.

Діелектрична проникність речовини. Для характеристики електричних властивостей діелектриків уведено особливу величину, яку називають діелектричною проникністю. Це фізична стала, яка показує, у скільки разів модуль напруженості електричного поля всередині діелектрика Е_вн менший від модуля напруженості Е₀ у вакуумі:

Діелектрична проникність визначена для всіх діелектриків і занесена до таблиць. Для дистильованої води ε = 81, а для гасу ε = 2.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

• 1. Що відбувається у разі внесення провідника в електричне поле?
• 2. Як зарядити два тіла різнойменно, не доторкуючись до них зарядженим тілом?
• 3. Укажіть схожість і відмінності процесів електризації провідника та поляризації діелектрика.
• 4. У якому агрегатному стані — рідкому, твердому чи газоподібному — діелектрична проникність діелектрика буде найбільшою?

§ 43. Провідники і діелектрики в електричному полі

Проводячи аналогії між гравітаційною та електростатичною взаємодіями, ми знаходили спільні для них властивості. Однак між ними існують і суттєві відмінності. Одна з них — усепроникність гравітаційного поля. Справді, сховище від сили тяжіння побудувати неможливо. А от від дії сил електростатичного поля можна сховатися досить надійно, побудувавши захист із провідника. З’ясуємо, чому це є можливим.

1. Якими є особливості внутрішньої будови провідників

Будь-яка речовина складається з молекул, атомів або йонів, які, у свою чергу, містять заряджені частинки. Тому, якщо тіло помістити в електричне поле, це спричинить певні зміни в речовині, з якої тіло виготовлено. Зрозуміло, що ці зміни залежать від властивостей самої речовини. За електричними властивостями речовини розділяють на провідники, діелектрики, напівпровідники.

Провідники — це речовини, здатні проводити електричний струм. Будь-який провідник містить заряджені частинки, що можуть вільно пересуватися. Типові представники провідників — метали. Нагадаємо: внутрішня структура металів являє собою утворену позитивно зарядженими йонами кристалічну ґратку, яка перебуває в «газі» вільних електронів. Саме наявність вільних електронів зумовлює провідні властивості металів. Провідниками також є електроліти, а за деяких умов — і гази. В електролітах вільними зарядженими частинками є позитивні й негативні йони, а в газах ще й електрони.

2. Електростатичні властивості провідників

Властивість 1. Напруженість електростатичного поля всередині провідника дорівнює нулю. Помістимо металевий провідник в електростатичне поле (рис. 43.1). Під дією поля рух вільних електронів стане напрямленим. Якщо електричне поле не надто велике, то електрони не можуть залишити провідник і накопичуються в певній області його поверхні, — ця область поверхні провідника набуває негативного заряду; протилежна — позитивного (його створюють позитивні йони, що там залишилися). Таким чином, на поверхні провідника з’являються наведені (індуковані) електричні заряди, при цьому сумарний заряд провідника залишається незмінним (рис. 43.2).

Рис. 43.1. Зовнішнє електричне поле індукує на поверхні провідника заряди протилежних знаків

Рис. 43.2. Якщо два металеві циліндри, які контактують один з одним, роз’єднати за присутності поряд зарядженої кулі, то кожен циліндр виявиться зарядженим

Явище перерозподілу електричних зарядів у провіднику, поміщеному в електростатичне поле, у результаті чого на поверхні провідника виникають електричні заряди, називають явищем електростатичної індукції.

• Який процес відбувався б, якби всередині провідника тривалий час існувало електричне поле?

Властивість 3. Увесь статичний заряд провідника зосереджений на його поверхні.

Ця властивість є наслідком закону Кулона і властивості однойменних зарядів відштовхуватися.

Властивість 4. Вектор напруженості електростатичного поля є перпендикулярним до поверхні провідника (рис. 43.4).

Властивість 5. Електричні заряди розподіляються по поверхні провідника так, що напруженість електростатичного поля провідника виявляється більшою на виступах провідника і меншою на його западинах (рис. 43.5).

Рис. 43.5. Напруженість електростатичного поля провідника більша на виступах провідника і менша на його западинах

3. Як застосовують електростатичні властивості провідників

Наведемо деякі приклади використання розглянутих електростатичних властивостей провідників.

Електростатичний захист. Іноді виникає необхідність ізолювати від впливу зовнішніх електричних полів деякі прилади. Очевидно, що для цього їх необхідно помістити всередину металевого корпусу, оскільки зовнішнє електричне поле викликає появу індукованих зарядів тільки на поверхні провідника, а поле всередині провідника відсутнє (рис. 43.6). Аналогічний ефект досягається, якщо суцільну провідну оболонку замінити металевою сіткою з дрібними гніздами: електричне поле проникає за сітку лише на глибину порядку розмірів гнізда сітки.

Рис. 43.6. Електростатичний захист. Під дією зовнішнього поля на поверхні металевого корпусу виникають індуковані заряди, поле яких екранує зовнішнє електричне поле: напруженість поля всередині корпусу стає рівною нулю

Заземлення. Щоб розрядити невелике заряджене тіло, його необхідно з’єднати провідником із тілом більших розмірів, адже на тілі більших розмірів накопичується більший електричний заряд. Щоб обґрунтувати це твердження, розглянемо дві з’єднані провідником провідні кулі радіусами R₁ i R₂, розташовані одна від одної на великій (порівняно з їхніми радіусами) відстані l (рис. 43.7). Електричний заряд Q, переданий системі, розподілиться між кулями таким чином, що їхні потенціали будуть рівними (φ₁ = φ₂). Відстань між кулями значно більша за їхні радіуси, тому, розраховуючи потенціали φ₁і φ₂ куль, взаємним впливом їхніх полів можна знехтувати і скористатися формулою для визначення потенціалу кулі:

Рис. 43.7. Заряд Q, переданий системі з двох куль, з’єднаних провідником, розподілиться між кулями таким чином, що їхні потенціали φ₁і φ₂ будуть рівними

Зверніть увагу! Якщо одна із заряджених куль значно більша за другу, після їх з’єднання практично весь заряд виявиться на більшій кулі. Цей висновок справджується і для провідних тіл довільної форми. Так, якщо до кондуктора зарядженого електроскопа торкнутися рукою, заряд перерозподілиться між кондуктором і тілом людини, але оскільки людина значно більша за розмір пристрою, то можна вважати, що весь заряд перейде на людину.

Часто як тіло великих розмірів використовують усю земну кулю: прилади, на яких не повинен збиратись електричний заряд, «заземлюють» — приєднують до масивного провідника, закопаного в землю.

4. Які особливості внутрішньої будови діелектриків

Діелектриками називають речовини, які погано проводять електричний струм: за звичайних умов в них практично відсутні заряди, що можуть вільно пересуватися. Залежно від хімічної будови діелектрики поділяють на три групи.

5. Як електростатичне поле впливає на діелектрик

У процесі поляризації полярних діелектриків виникає орієнтаційна поляризація. Під дією зовнішнього електричного поля дипольні молекули діелектрика намагаються повернутися так, щоб їхні осі були розташовані вздовж силових ліній поля. Проте тепловий рух молекул перешкоджає цьому процесу. Тому виникає лише часткове впорядкування дипольних молекул (рис. 43.9).

У процесі поляризації йонних діелектриків спостерігається йонна поляризація. Унаслідок дії зовнішнього поля йони різних знаків, що складають дві підґратки, зміщуються в протилежних напрямках, від чого на гранях кристала з’являються нескомпенсовані зв’язані заряди, тобто кристал поляризується. Слід підкреслити, що йонна поляризація в чистому вигляді не спостерігається, — її завжди супроводжує електронна поляризація.

6. Як діелектрик впливає на електростатичне поле

Діелектричні проникності різних речовин можуть відрізнятися в десятки разів. Так, діелектрична проникність газів близька до одиниці, рідких і твердих неполярних діелектриків — до кількох одиниць, полярних діелектриків — до кількох десятків одиниць (для води ε = 81). Є речовини (їх називають сегнетоелектриками), діелектрична проникність яких становить значення порядку десятків і сотень тисяч.

• Сформулюйте підсумки § 43 самостійно. Спробуйте використати не більше 150-200 слів.

Контрольні запитання

1. Які речовини називають провідниками? 2. Що таке електростатична індукція? 3. Назвіть основні електростатичні властивості провідників. 4. Як захищають обладнання та прилади від впливу електричного поля? 5. Навіщо застосовують заземлення? 6. Які речовини називають діелектриками? Наведіть приклади. 7. Чим відрізняються полярні діелектрики від неполярних? 8. Що називають поляризацією діелектрика? Якими є її механізми? 9. Що характеризує діелектрична проникність речовини?

1. Чому незаряджені тіла притягуються до заряджених тіл?

2. До кондуктора зарядженого електрометра підносять (не торкаючись до нього) незаряджене провідне тіло. Як і чому зміниться відхилення стрілки електрометра? Відповідь перевірте експериментально.

3. Чи зміняться результати досліду, поданого на рис. 43.2, якщо циліндри будуть виготовлені з діелектрика? Відповідь обґрунтуйте.

4. Незаряджена гільза з фольги висить на шовковій нитці. До неї наближають заряджену паличку. Опишіть і поясніть подальшу «поведінку» гільзи.

5. Над кондуктором зарядженого електрометра розташували незаряджену пластину з оргскла. Як зміниться відхилення стрілки електрометра?

6. Дві маленькі кульки, заряди яких однакові за модулем, перебуваючи в трансформаторному мастилі на відстані 50 см одна від одної, взаємодіють із силою 2,2 мН. Визначте модуль заряду кожної кульки. Діелектрична проникність трансформаторного мастила 2,2.

7. Заряджена металева кулька масою 40 г і об’ємом 4,2 см 3 лежить на дні посудини з мастилом. Після того як систему помістили в однорідне електростатичне поле напруженістю 4,0 МВ/м, кулька спливла. Знайдіть мінімальний заряд кульки. Густина мастила 800 кг/м 3 , діелектрична проникність — 5.

8. Який пристрій зображений на фото, поданому на початку § 43? Хто, коли і для чого його сконструював?