"Физика. Базовый и углубленный уровни (в 2 частях) ", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Проводники и диэлектрики по-разному ведут себя в электрическом поле из-за того, как заряды могут двигаться внутри вещества. В металлах есть свободные электроны: они перераспределяются и в состоянии равновесия создают нулевое поле внутри проводника. В диэлектриках заряды связаны в атомах и молекулах, но поле немного смещает их, вызывая поляризацию. Она ослабляет поле, а величину ослабления описывает относительная диэлектрическая проницаемость.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Проводник — вещество, в котором есть свободные заряженные частицы. Под действием электрического поля они могут перемещаться по веществу и перераспределяться. Это свойство помогает объяснить, почему проводник меняет распределение зарядов и может экранировать поле.
Диэлектрик — вещество, в котором заряды не могут свободно перемещаться через весь объём. Однако положительные и отрицательные заряды внутри атомов и молекул способны немного смещаться. Это различие нужно, чтобы не путать проводимость вещества с его реакцией на электрическое поле.
Электростатическое равновесие — состояние проводника, в котором свободные заряды больше не движутся упорядоченно, а электрическое поле внутри проводника равно нулю. Если бы поле сохранялось, оно продолжало бы перемещать заряды. Понятие равновесия позволяет определить, к какому состоянию стремится проводник.
Поляризация диэлектрика — смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля, из-за которого на поверхности появляются связанные заряды. Они не покидают атомы и молекулы, но создают собственное поле. Понимание поляризации нужно, чтобы объяснить ослабление поля в диэлектрике.
В металле часть электронов может перемещаться по всему веществу, поэтому внешний электрический заряд действует на них силой и вызывает движение. Электроны перераспределяются: одни участки получают избыток отрицательного заряда, другие — недостаток. Их движение прекращается лишь тогда, когда созданное перераспределением поле уравновешивает внешнее внутри металла.
Переместившиеся заряды создают собственное электрическое поле, направленное против внешнего поля внутри проводника. В электростатическом равновесии эти поля компенсируют друг друга, поэтому результирующее поле внутри равно нулю. Если проводник не имеет полостей с зарядами внутри, его избыточный заряд оказывается на поверхности: внутри вещества не остаётся поля, которое удерживало бы избыток заряда.
В равновесии поверхность проводника является эквипотенциальной: электрический потенциал в каждой её точке одинаков. Если бы поле имело составляющую вдоль поверхности, она перемещала бы заряды по поверхности, значит, равновесие ещё не установилось. Поэтому вектор электрического поля у поверхности направлен по нормали, то есть перпендикулярно ей.
В диэлектрике заряды связаны внутри атомов и молекул, поэтому поле не может заставить их свободно перемещаться через всё вещество. Но положительные и отрицательные частицы испытывают силы в противоположных направлениях и немного смещаются относительно друг друга. Такое смещение не переносит заряд через весь образец, однако меняет распределение зарядов в веществе.
Смещение связанных зарядов создаёт на поверхности диэлектрика связанные заряды, поле которых направлено против внешнего поля. Поэтому внутри вещества результирующее поле становится слабее, но обычно не исчезает полностью, как в проводнике. Относительная диэлектрическая проницаемость εᵣ показывает степень ослабления: для полностью заполненного диэлектриком конденсатора при неизменном заряде E = E₀/εᵣ, где E₀ — поле без диэлектрика.
| Свойство | Проводник | Диэлектрик |
|---|---|---|
| Наличие свободных зарядов | Есть свободные заряженные частицы | Нет свободного перемещения зарядов по всему объёму |
| Перемещение зарядов под действием поля | Свободные заряды перераспределяются | Смещаются связанные заряды в атомах и молекулах |
| Поле внутри вещества | В равновесии равно нулю | Ослабляется, но обычно не исчезает |
| Распределение зарядов при воздействии внешнего поля | Избыточный заряд в равновесии располагается на поверхности | Возникают связанные заряды на поверхности |
| Электрическое поле на поверхности | Направлено перпендикулярно поверхности | Зависит от поля и поляризации диэлектрика |
Сравнивайте строки таблицы по одному свойству: так проще увидеть, что в проводнике перемещаются свободные заряды, а в диэлектрике смещаются связанные. Столбец с полем внутри вещества помогает проверить, не перенесли ли вы условие для проводника на диэлектрик.
Условие. Металлический шар поместили во внешнее электрическое поле. Нужно определить, как перераспределятся заряды и каким станет поле внутри после установления равновесия. Числовые данные не заданы, поэтому ответ будет качественным.
Ответ. На поверхности шара возникают разделённые заряды, создающие компенсирующее поле. Внутри шара после установления равновесия электрическое поле равно нулю.
Условие. Полость окружена стенками проводника, снаружи действует электрическое поле, а внутри полости нет зарядов. Требуется определить, будет ли в полости электрическое поле после установления равновесия. Считаем проводник замкнутым и рассматриваем электростатическое равновесие.
Ответ. В полости электрическое поле равно нулю. Вывод относится к закрытой проводящей оболочке в электростатическом равновесии при отсутствии зарядов внутри полости.
Условие. Плоский конденсатор полностью заполнили диэлектриком с известной относительной диэлектрической проницаемостью εᵣ. Известна напряжённость E₀ без диэлектрика; требуется найти напряжённость внутри вещества. Предполагается, что заряд конденсатора не меняется.
Ответ. Напряжённость поля в диэлектрике находят по формуле E = E₀/εᵣ; в примере она равна 200 В/м. Если условие работы конденсатора отличается, например заряд не сохраняется, нужно учитывать это отдельно.
Ошибка: считать, что внутри любого вещества электрическое поле равно нулю. Так обобщают известное свойство проводника и забывают, что связанные заряды диэлектрика лишь ослабляют поле. Проверьте себя: сначала определите вид вещества, а затем применяйте условие о нулевом поле только к проводнику в электростатическом равновесии.
Ошибка: полагать, что заряды в диэлектрике свободно проходят через весь объём. Её допускают, смешивая поляризацию с движением зарядов в металле. Проверьте, меняют ли связанные заряды своё положение внутри атомов и молекул или действительно переносятся через вещество: в диэлектрике происходит первое.
Ошибка: утверждать, что заряд проводника всегда есть только на поверхности. В равновесии на поверхности находится именно избыточный заряд, а формулировка без условий слишком широкая. Чтобы проверить себя, уточните, рассматривается ли проводник в электростатическом равновесии и говорится ли именно об избытке заряда.
Ошибка: считать, что диэлектрик полностью устраняет внешнее поле. Поляризация создаёт встречное поле, но обычно оно лишь частично компенсирует внешнее. Проверьте вывод по смыслу: при εᵣ > 1 поле E = E₀/εᵣ уменьшается, однако не становится нулевым.
Для понимания темы нужно знать, что такое электрический заряд, электрическое поле и напряжённость поля: именно поле действует на заряженные частицы. Перераспределение зарядов в проводнике лежит в основе электростатической индукции и объясняет электрическое экранирование. Поляризация диэлектрика и относительная диэлектрическая проницаемость понадобятся при изучении конденсаторов и их ёмкости. Поэтому умение различать свободные и связанные заряды пригодится и при разборе новых задач.
Почему электрическое поле внутри проводника в равновесии равно нулю?
Если бы поле сохранялось, оно продолжало бы действовать на свободные заряды и перемещать их. Заряды перераспределяются до тех пор, пока создаваемое ими поле не компенсирует внешнее внутри проводника.
Куда перемещается избыточный заряд проводника?
В электростатическом равновесии избыток заряда располагается на поверхности проводника. Это не означает, что любой заряд при любых обстоятельствах находится только там: утверждение относится к равновесному состоянию проводника.
Почему проводник может экранировать электрическое поле?
Свободные заряды проводника перераспределяются так, чтобы компенсировать поле внутри его материала. Стенки замкнутой проводящей оболочки тем самым защищают незаряженную полость от внешнего электростатического поля.
Чем поляризация диэлектрика отличается от движения свободных зарядов?
При поляризации связанные положительные и отрицательные заряды немного смещаются внутри атомов или молекул. Они не проходят свободно через весь объём вещества, как заряды в проводнике.
Что показывает относительная диэлектрическая проницаемость?
Она характеризует, во сколько раз поле в диэлектрике слабее поля без него в соответствующих условиях. Для полностью заполненного диэлектриком конденсатора при неизменном заряде E = E₀/εᵣ.
3. Проводники и диэлектрики
