§ 21. Проводники и диэлектрики

Определения и обозначения

Проводник — вещество, в котором есть заряженные частицы, способные свободно перемещаться по всему телу. Например, в металле такими частицами обычно служат электроны. Их подвижность нужна, чтобы переносить заряд с одного участка проводника на другой.

Диэлектрик — вещество, в котором нет свободных зарядов, способных перемещаться по всему телу. Заряженные частицы в нём есть, но они связаны внутри атомов и молекул. Это определение помогает отличить материалы, проводящие заряд, от материалов, которые используют для изоляции.

Свободные заряды — заряженные частицы, которые могут перемещаться внутри вещества, а не только оставаться около одного атома или молекулы. В металлах это главным образом электроны. Их движение объясняет, почему одни вещества проводят электричество, а другие — нет.

Электризация влиянием — перераспределение зарядов в проводнике под действием находящегося рядом заряженного тела. Для этого телам не обязательно соприкасаться. Такое понятие объясняет, как можно изменить распределение зарядов в проводнике, не передавая ему заряд при касании.

Как это устроено

Электрические свойства вещества связаны с тем, как устроены его атомы и молекулы и насколько крепко в них удерживаются заряды. В металлах часть электронов может перемещаться между почти неподвижными положительными ионами. Поэтому под действием электрического влияния электроны перемещаются по металлу, а сами положительные ионы не разлетаются по телу. В диэлектрике электроны связаны с атомами или молекулами сильнее.

Если рядом с проводником поместить заряженное тело, его электрическое действие влияет на подвижные заряды внутри проводника. Например, отрицательно заряженная палочка отталкивает электроны металлического тела. Электроны перемещаются дальше от палочки, и на ближней стороне возникает их недостаток, а на дальней — избыток. В результате заряды разделяются, хотя суммарный заряд проводника может оставаться равным нулю.

В диэлектрике заряды не могут перемещаться от одного конца тела к другому, потому что связаны внутри атомов и молекул. Однако под действием внешнего заряженного тела положительные и отрицательные заряды в них могут немного смещаться относительно друг друга. Это небольшое смещение не превращается в свободное движение через всё вещество. Поэтому диэлектрик ведёт себя иначе, чем проводник, даже если оба тела изначально нейтральны.

Когда заряженное тело касается проводника, между ними появляется путь для перехода подвижных зарядов. Часть заряда может перейти на другой проводник; направление перехода зависит от того, какие заряды и в каком количестве есть на телах. После разделения заряд распределяется по проводнику, главным образом по его поверхности. На распределение влияют форма и размеры тела, поэтому оно не всегда одинаково на разных участках.

К проводникам относятся металлы, например медь и алюминий, а также графит. Из них делают провода и другие части электрических приборов, по которым должен проходить ток. Резина, пластмасса и стекло обычно служат диэлектриками: ими покрывают провода и изолируют детали, чтобы заряд не переходил туда, куда не нужно. Так различие в подвижности зарядов помогает выбирать материал для конкретной задачи.

Сравнение проводников и диэлектриков

Сравнивайте материалы прежде всего по подвижности зарядов, а не по тому, заряжено ли конкретное тело. Столбцы показывают, почему проводник способен перераспределять заряд, а диэлектрик — изолировать. Примеры типичны для обычных условий: свойства материала могут зависеть от его состава и состояния.

Разбор задач

Металлическая ложка, резиновая ручка и стеклянная палочка

Условие. Нужно определить, какие из трёх предметов являются проводниками, а какие — диэлектриками. Необходимо применить признак подвижности зарядов, а не проверять, заряжен ли каждый предмет. Считаем, что предметы изготовлены из указанных материалов.

1. У металлической ложки проверяем, есть ли в материале свободные заряды. В металле могут перемещаться электроны, поэтому ложка относится к проводникам.
2. Резина и стекло обычно не имеют зарядов, свободно перемещающихся по всему телу. Поэтому резиновая ручка и стеклянная палочка относятся к диэлектрикам.

Ответ. Металлическая ложка — проводник, резиновая ручка и стеклянная палочка — диэлектрики. Суммарный заряд предметов для такой классификации значения не имеет.

Отрицательно заряженная палочка рядом с гильзой

Условие. К незаряженной металлической гильзе поднесли отрицательно заряженную палочку, не касаясь её. Нужно описать перераспределение зарядов в гильзе. Заряд на гильзу при касании не передаётся.

1. Вспоминаем, что подвижными зарядами в металле являются электроны, а положительные ионы остаются на местах.
2. Отрицательный заряд палочки отталкивает электроны гильзы. Поэтому они смещаются к её дальней от палочки стороне.
3. На ближней стороне возникает недостаток электронов, а на дальней — избыток. В целом гильза остаётся незаряженной: заряды только перераспределились.

Ответ. Электроны перемещаются на дальнюю сторону гильзы; ближняя сторона становится положительно заряженной, дальняя — отрицательно заряженной. Между телами нет касания, поэтому гильза не получает суммарного заряда.

Контакт заряженной палочки и гильзы

Условие. Заряженная металлическая палочка коснулась незаряженной металлической гильзы, после чего гильзу отделили. Нужно объяснить, почему у гильзы появился заряд и как он распределился. Знак первоначального заряда палочки в условии не указан, поэтому рассуждаем для обоих возможных знаков.

1. При касании поверхности проводников соприкасаются, и подвижные заряды могут переходить с одного тела на другое. Поэтому часть заряда палочки оказывается на гильзе.
2. После разделения гильза сохраняет полученный заряд. Если палочка была заряжена отрицательно, на гильзу могут перейти электроны; если положительно — электроны могут перейти с гильзы на палочку.
3. Заряд распределяется по поверхности гильзы. То, насколько равномерным будет распределение, зависит от её формы; знак заряда гильзы совпадает со знаком зарядившей её палочки.

Ответ. Гильза приобрела заряд, потому что при соприкосновении между проводниками перемещаются заряженные частицы. После разделения заряд остаётся на гильзе и распределяется по её поверхности; его знак совпадает со знаком палочки.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что проводник обязательно заряжен. Проводимость описывает способность зарядов перемещаться, а не суммарный заряд тела. Эту ошибку допускают, смешивая слова «проводник» и «заряженное тело». Проверь себя: может ли тело быть в целом нейтральным, если положительные и отрицательные заряды в нём уравновешены?

Ошибка: думать, что в диэлектрике совсем нет зарядов. Атомы и молекулы содержат заряженные частицы, но они не перемещаются свободно через всё тело. Ошибка возникает из-за краткого выражения «нет свободных зарядов», которое принимают за отсутствие любых зарядов. Проверь себя: речь идёт о наличии частиц или о возможности их свободного движения?

Ошибка: приписывать движение положительным ионам в металле. В обычном металлическом проводнике положительные ионы почти неподвижны, а перемещаются электроны. Путают их потому, что электрический заряд бывает обоих знаков и можно решить, что оба вида частиц одинаково подвижны. Проверь себя: какие частицы образуют неподвижную решётку металла, а какие могут двигаться между её узлами?

Ошибка: считать, что заряженное тело действует на проводник только при касании. Даже на расстоянии заряженное тело может перераспределить подвижные заряды в проводнике. Эту ошибку допускают, смешивая электризацию влиянием с передачей заряда при контакте. Проверь себя: произошло ли соприкосновение? Если нет, заряд мог разделиться внутри проводника, но не перейти на него от внешнего тела.

Связь с другими темами

Чтобы понять свойства проводников и диэлектриков, нужно знать, что тела состоят из атомов, а электрический заряд бывает положительным и отрицательным. Тема опирается на взаимодействие зарядов: именно оно вызывает перераспределение зарядов в проводнике. Позже эти представления помогут разобраться в электрическом токе и электрических цепях, где важно движение зарядов. Различие материалов также объясняет, почему в проводах используют металл, а для защиты — изоляцию; оно помогает понять работу электроскопа.

Что запомнить

• В проводниках имеются заряды, способные перемещаться по всему телу.
• В металлах основными подвижными зарядами являются электроны.
• В диэлектриках нет свободных зарядов, перемещающихся по всему телу.
• Заряженное тело может вызвать перераспределение зарядов в проводнике без соприкосновения.
• При соприкосновении проводников заряд может переходить с одного тела на другое.
• Проводники и диэлектрики различаются подвижностью зарядов, а не наличием зарядов вообще.