3. Проводники и диэлектрики

Определения и обозначения

Проводник — вещество, в котором есть свободные заряженные частицы, способные перемещаться по всему объёму. К проводникам относятся, например, металлы, растворы электролитов и некоторые ионизированные газы. Это понятие нужно, чтобы предсказывать перераспределение зарядов и поведение поля в веществе.

Диэлектрик — вещество, в котором практически нет свободных носителей заряда, перемещающихся по всему объёму. Примеры диэлектриков — стекло, пластмасса, сухой воздух и резина. Такое определение помогает понять, почему в диэлектрике заряд не перетекает через всё вещество, а проявляется главным образом смещением связанных зарядов.

Свободные заряды — заряженные частицы, которые могут перемещаться внутри вещества под действием электрического поля. В металлах такими частицами в основном являются электроны проводимости. От их подвижности зависит, сможет ли вещество перераспределить заряд и создать внутри себя нужное компенсирующее поле.

Поляризация диэлектрика — смещение связанных положительных и отрицательных зарядов в веществе под действием внешнего электрического поля. При этом молекулы не покидают свои места, а немного деформируются или ориентируются определённым образом. Термин нужен для описания реакции диэлектрика на поле без свободного переноса заряда через всё тело.

Как это устроено

В металлах часть электронов слабо связана с отдельными атомами и может двигаться по кристаллу. Когда металл попадает во внешнее электрическое поле, эти электроны начинают смещаться, потому что на заряд действует электрическая сила. В результате на разных участках проводника возникают избыток и недостаток заряда, создающие собственное поле.

Перераспределение свободных зарядов продолжается до электростатического равновесия. Если бы внутри проводника сохранялось ненулевое поле, оно продолжало бы действовать на свободные электроны и вызывать их движение. Поэтому в установившемся равновесии собственное поле перераспределённых зарядов компенсирует внешнее, и напряжённость внутри проводника равна нулю.

Избыточный заряд проводника располагается на поверхности, потому что одноимённые заряды отталкиваются и стремятся удалиться друг от друга. В состоянии равновесия внутри проводника зарядов, создающих ненулевое поле, быть не должно. На поверхности их распределение может быть неодинаковым: возле острых участков плотность заряда обычно больше.

В диэлектрике электроны и ядра связаны внутри атомов или молекул, поэтому свободного переноса заряда через вещество не происходит. Внешнее поле действует на положительные и отрицательные частицы в противоположных направлениях. Из-за этого центры зарядов немного смещаются друг относительно друга, и каждая молекула приобретает электрический дипольный момент.

Суммарное упорядоченное смещение зарядов называют поляризацией диэлектрика. Поляризованные молекулы создают собственное электрическое поле, направленное навстречу внешнему полю. Поэтому результирующая напряжённость внутри диэлектрика уменьшается, хотя обычно не становится равной нулю, как в проводнике.

Сравнение проводников и диэлектриков

Таблицу удобно читать построчно, сравнивая одно свойство у двух типов веществ. Сначала определите, есть ли свободные носители заряда, а затем проследите, как это влияет на поле и распределение заряда. Не следует переносить свойство проводника на диэлектрик: подвижность зарядов у них различна.

Разбор задач

1. Заряженный металлический шар

Металлическому шару сообщили положительный заряд, а затем оставили его до установления равновесия. Нужно определить положение избыточного заряда. Шар является проводником, поэтому для него действует общее свойство проводников.

1. Положительный заряд означает недостаток электронов, но это не меняет правила распределения избыточного заряда.
2. Свободные электроны могли бы перемещаться, пока внутри шара сохранялось бы поле.
3. В равновесии поле внутри становится нулевым, а заряд располагается на внешней поверхности шара.

Ответ: избыточный положительный заряд установится на поверхности металлического шара. Для идеального шара он распределится равномерно.

2. Проводник во внешнем поле

Проводник помещают во внешнее электрическое поле и спрашивают, почему поле внутри него исчезает после равновесия. Причина связана не с отсутствием зарядов, а с их свободным перемещением. Рассмотрим последовательность процесса.

1. Внешнее поле начинает действовать на свободные электроны проводника и смещает их против направления напряжённости.
2. На противоположных сторонах тела появляются области с разными знаками индуцированного заряда.
3. Эти перераспределённые заряды создают собственное поле, противоположное внешнему внутри проводника, и в равновесии поля взаимно компенсируются.

Ответ: поле внутри проводника равно нулю потому, что свободные заряды перемещаются до его компенсации. Если бы поле осталось ненулевым, равновесие ещё не наступило бы.

3. Диэлектрик во внешнем поле

Диэлектрик вносят во внешнее электрическое поле и наблюдают изменение состояния вещества. В нём нет заметного переноса свободных зарядов через всё тело. Поэтому нужно рассматривать смещение зарядов внутри отдельных атомов или молекул.

1. Поле действует на положительные и отрицательные связанные заряды в противоположных направлениях.
2. Центры этих зарядов немного расходятся, и молекулы ориентируются или деформируются, то есть диэлектрик поляризуется.
3. Поляризация создаёт собственное поле, направленное против внешнего, поэтому результирующее поле внутри вещества ослабевает.

Ответ: связанные заряды смещаются, но не перемещаются свободно через весь диэлектрик. Поле внутри уменьшается, однако обычно не исчезает полностью.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что в проводнике вообще нет электрического поля. Такое утверждение верно только для внутреннего поля проводника в электростатическом равновесии, а снаружи поле может существовать. Проверьте себя: уточните, о какой области и о каком состоянии тела идёт речь.

Ошибка: утверждать, что весь заряд проводника находится внутри него. В равновесии избыточный заряд располагается на поверхности из-за отталкивания одноимённых зарядов. Для проверки вспомните условие равенства нулю поля внутри проводника.

Ошибка: путать поляризацию с перемещением свободных зарядов через всё вещество. При поляризации смещаются связанные положительные и отрицательные заряды внутри молекул. Спросите себя, пересекают ли частицы весь диэлектрик: если нет, речь идёт о поляризации.

Ошибка: считать, что диэлектрик полностью устраняет внешнее поле. Поляризация создаёт встречное поле и ослабляет результирующее, но обычно не обнуляет его. Проверьте знак создаваемого поля и не приравнивайте диэлектрик к проводнику.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления об электрическом заряде, электрическом поле и напряжённости поля. Напряжённость показывает, с какой силой поле действует на единичный положительный заряд. Эти понятия позволяют объяснить движение свободных зарядов и действие поля на связанные заряды.

Знания о проводниках и диэлектриках понадобятся при изучении электрического поля в веществе, конденсаторов и диэлектрической проницаемости. В конденсаторе диэлектрик изменяет поле между обкладками и влияет на его электрическую ёмкость. Поэтому поляризация имеет не только теоретическое, но и практическое значение.

Атомное строение вещества объясняет различие между проводностью металлов и изоляционными свойствами диэлектриков. В металлах электроны могут быть общими для множества атомов и перемещаться по кристаллу. В диэлектриках заряды сильнее связаны с атомами или молекулами и в основном лишь смещаются.

Что запомнить

• В проводнике есть свободные носители заряда.
• В электростатическом равновесии поле внутри проводника равно нулю.
• Избыточный заряд проводника располагается на его поверхности.
• В диэлектрике связанные заряды смещаются под действием внешнего поля.
• Поляризация диэлектрика ослабляет результирующее поле внутри него.
• Проводники и диэлектрики различаются подвижностью зарядов.