Теория:
Как ведут себя разные материалы в электрическом поле?
Когда вносим какой-либо предмет в электрическое поле, он не остаётся безучастным. То, что происходит дальше, целиком и полностью зависит от внутреннего «устройства» этого предмета, а именно: есть ли в нём частицы, способные свободно перемещаться. По этому признаку все вещества делятся на два типа: проводники и диэлектрики (изоляторы).
Когда вносим какой-либо предмет в электрическое поле, он не остаётся безучастным. То, что происходит дальше, целиком и полностью зависит от внутреннего «устройства» этого предмета, а именно: есть ли в нём частицы, способные свободно перемещаться. По этому признаку все вещества делятся на два типа: проводники и диэлектрики (изоляторы).
Проводники
Представь себе переполненный танцпол, где люди (электроны) могут свободно перемещаться от одного друга (атома) к другому, оставаясь при этом в общей массе. Это и есть проводник — материал, в котором множество свободных зарядов.
Что происходит, если такой материал попадает в электрическое поле?
Допустим, у нас есть металлическая пластина, и мы вносим её в поле между двумя заряженными пластинами (одна — «плюс», другая — «минус»). Электрическое поле тут же начинает «расталкивать» свободные электроны в металле. Поскольку они заряжены отрицательно, они устремляются к положительному полюсу источника поля.
Допустим, у нас есть металлическая пластина, и мы вносим её в поле между двумя заряженными пластинами (одна — «плюс», другая — «минус»). Электрическое поле тут же начинает «расталкивать» свободные электроны в металле. Поскольку они заряжены отрицательно, они устремляются к положительному полюсу источника поля.
В результате на одном конце металлической пластины скапливается избыток электронов (отрицательный заряд), а на другом конце образуется их нехватка, то есть появляется положительный заряд. Это явление называется электростатической индукцией, а появившиеся заряды — индуцированными.
Наведённые заряды создают своё собственное электрическое поле, направленное строго против внешнего поля, которое его вызвало. Они «спорят» друг с другом до тех пор, пока внутри проводника эти два поля полностью не скомпенсируются. Итоговая напряжённость поля внутри проводника становится равной нулю.
Пример:
Если ты находишься внутри машины во время грозы, она служит надёжным укрытием. Металлический корпус автомобиля — это идеальный проводник. Внешнее электрическое поле молнии создаёт на корпусе индуцированные заряды, но внутри, где сидишь ты, поля просто нет. Это называется электростатической защитой, или клеткой Фарадея.
Также важно запомнить два правила для «спокойного» состояния проводника в поле:
- Все лишние заряды (если проводник был заряжен) собираются только на его поверхности. Внутри их нет.
- Линии электрического поля снаружи упираются в поверхность проводника строго под прямым углом (перпендикулярно).
Диэлектрики
Совсем другая картина в диэлектриках (изоляторах). Здесь все электроны «привязаны» к своим атомам и не могут путешествовать по всему куску материала. Но электрическое поле всё равно на них влияет, просто иначе.
В зависимости от положения зарядов внутри молекулы, диэлектрики делятся на два типа.
Тип \(1\). Неполярные диэлектрики. В таких молекулах (например, в кислороде или водороде) центры положительного и отрицательного заряда совпадают. В обычном состоянии молекула нейтральна и не проявляет себя.
Поле начинает растягивать молекулу. Отрицательные электроны чуть-чуть смещаются в сторону «плюса» поля, а положительное ядро — в сторону «минуса». Молекула превращается в маленький диполь (систему из двух близких, но противоположных зарядов). Говорят, что диэлектрик поляризовался.
Поле начинает растягивать молекулу. Отрицательные электроны чуть-чуть смещаются в сторону «плюса» поля, а положительное ядро — в сторону «минуса». Молекула превращается в маленький диполь (систему из двух близких, но противоположных зарядов). Говорят, что диэлектрик поляризовался.
Тип \(2\). Полярные диэлектрики. Здесь молекулы изначально являются диполями.
Система из двух разноимённых точечных зарядов (\(q_1=q_2=q\)), расположенных на расстоянии \(l \ll L\) (\(L\) — расстояние от диполя до любой исследуемой точки поля), называется электрическим диполем (рис. \(1\)):
дипольный момент — \(\boxed{\vec{p}=q·\vec{l}}\). (\(1\))
Рис. \(1\). Изображение диполя
Пример:
Вода (\(H_2O\)) или поваренная соль (\(NaCl\)). У них центр «плюса» и «минуса» разнесён в пространстве. Однако в куске вещества эти маленькие диполи повёрнуты хаотично из-за теплового движения.
Поле стремится развернуть все диполи вдоль своих линий. Полностью выстроить их мешает тепловое движение, но частичный порядок наводится.
Что общего у обоих типов?
Как только диэлектрик поляризуется (неважно, растяжением или поворотом), на его поверхности, обращённой к источнику поля, появляются связанные заряды. Они называются связанными, потому что не могут уйти, как в проводнике.
Эти поверхностные заряды создают своё слабое поле, направленное навстречу внешнему. В результате внутри диэлектрика поле ослабляется, но не исчезает полностью, как в проводнике.
Как только диэлектрик поляризуется (неважно, растяжением или поворотом), на его поверхности, обращённой к источнику поля, появляются связанные заряды. Они называются связанными, потому что не могут уйти, как в проводнике.
Эти поверхностные заряды создают своё слабое поле, направленное навстречу внешнему. В результате внутри диэлектрика поле ослабляется, но не исчезает полностью, как в проводнике.
Степень ослабления показывает специальная величина — диэлектрическая проницаемость \(\varepsilon\). Она говорит о том, во сколько раз поле внутри вещества слабее, чем в вакууме.
Диэлектрическая проницаемость вещества \(\varepsilon\):
\(\boxed{\varepsilon = \frac{E_0}{E}}\), (\(2\))
где \(E_0\) — значение вектора напряжённости однородного электростатического поля в вакууме,
\(E\) — значение вектора напряжённости однородного электростатического поля в диэлектрической среде.
Пример:
Представь, что внешнее поле — это сильный ветер. В случае проводника (металлическая сетка) ветер просто продувает насквозь, не встречая сопротивления, и внутри затишье. В случае диэлектрика (густой кустарник) ветер ослабевает, но всё равно проникает внутрь, шевеля ветки (молекулы). Кустарник поляризуется, создавая сопротивление ветру.