"Физика", Изергин Э.Т.
Электростатическая индукция — это перераспределение свободных зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля. Она объясняет, почему нейтральный металлический шар притягивается к заряженной палочке, хотя не касается её. При изоляции общий заряд проводника сохраняется, а заземление позволяет получить проводник с новым зарядом. Явление используют в электроскопах, заземлении и электростатической защите.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электростатическая индукция — перераспределение свободных зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля. Заряды не создаются заново, а перемещаются по проводнику. Это понятие нужно, чтобы объяснить действие заряженного тела без прикосновения к проводнику.
Индуцированные заряды — противоположные по знаку заряды, разделившиеся на разных участках проводника при электростатической индукции. Например, у положительной палочки на ближней стороне металлического шара появляется избыток электронов. Так называют результат разделения зарядов внешним полем.
Проводник — вещество, в котором имеются свободные заряженные частицы, способные перемещаться под действием электрического поля. К проводникам относятся металлы, потому что часть электронов в них может двигаться по всему телу. Это свойство позволяет наблюдать электростатическую индукцию.
Электростатическое экранирование — ослабление или отсутствие электрического поля внутри замкнутого проводника. Перераспределившиеся заряды создают внутри поле, компенсирующее внешнее. Поэтому металлический корпус может защищать приборы и людей от внешнего электростатического воздействия.
Когда к проводнику подносят заряженное тело, его электрическое поле действует на свободные электроны металла. Электроны притягиваются к положительному телу и отталкиваются от отрицательного, поэтому начинают направленно перемещаться. Положительные ионы металла остаются в узлах кристаллической решётки и почти не меняют положения.
Если внешнее тело положительно заряжено, электроны проводника переходят к ближайшему концу. Этот конец становится отрицательным, а на противоположном конце возникает недостаток электронов и положительный заряд. При отрицательно заряженном теле электроны удаляются к дальней стороне, поэтому ближняя сторона становится положительной, а дальняя — отрицательной.
В изолированном проводнике электроны не могут уйти в окружающую среду или прийти из неё. Поэтому на одном участке появляется столько избыточного заряда, сколько его недостаточно на другом, и общий заряд остаётся прежним. Нейтральный проводник после разделения имеет разноимённые индуцированные заряды, но в целом остаётся нейтральным.
Перераспределение не продолжается бесконечно, потому что переместившиеся заряды создают собственное электрическое поле. Оно постепенно компенсирует внешнее поле внутри металла. В состоянии электростатического равновесия результирующее поле внутри проводника равно нулю, поэтому направленное движение свободных зарядов прекращается.
Заземление соединяет проводник с Землёй, которая служит огромным резервуаром электронов. При положительно заряженном внешнем теле электроны могут прийти из Земли в проводник; при отрицательном теле часть электронов уйдёт в Землю. Если сначала убрать соединение с Землёй, а затем внешнее тело, избыток или недостаток электронов сохранится и проводник станет заряженным.
| Условия опыта | Перераспределение зарядов | Общий заряд проводника | Результат после удаления внешнего тела |
|---|---|---|---|
| Нейтральный изолированный проводник рядом с положительно заряженным телом | Электроны переходят к ближней стороне; ближняя сторона отрицательна, дальняя положительна | Нулевой | Заряды снова распределяются равномерно, проводник нейтрален |
| Нейтральный изолированный проводник рядом с отрицательно заряженным телом | Электроны удаляются к дальней стороне; ближняя сторона положительна, дальняя отрицательна | Нулевой | Разделение исчезает, проводник остаётся нейтральным |
| Проводник, заземлённый при наличии внешнего заряженного тела | Электроны приходят из Земли или уходят в неё в зависимости от знака внешнего тела | Изменяется | После отсоединения заземления заряд сохраняется |
| Проводник после отсоединения заземления и удаления внешнего тела | Заряд распределяется по всей поверхности проводника | Не равен нулю | Проводник остаётся заряженным |
Сначала определите, изолирован проводник или соединён с Землёй. Затем проследите направление движения электронов и отдельно проверьте общий заряд. Особенно важен порядок действий: заземление отсоединяют до удаления внешнего заряженного тела.
Условие: к положительно заряженной палочке поднесли, не касаясь, нейтральный металлический шар. Нужно определить знаки зарядов на ближней и дальней сторонах шара. Шар изолирован, поэтому электроны не могут покинуть его.
Ответ: ближняя сторона шара отрицательна, дальняя положительна. Весь шар при этом остаётся нейтральным.
Условие: металлический шарик электроскопа приблизили к отрицательно заряженной палочке, не касаясь её. Нужно объяснить, почему листочки разошлись. Электроскоп является проводником, поэтому его свободные электроны могут перемещаться.
Ответ: листочки расходятся из-за электростатической индукции. Для этого не требуется касание палочки с электроскопом.
Условие: нейтральный металлический шар изолирован. К нему поднесли положительно заряженную палочку, затем шар заземлили, после чего сначала убрали заземление, а потом палочку. Требуется определить остаточный заряд шара.
Ответ: шар останется отрицательно заряженным. Если бы палочку убрали до отсоединения заземления, электроны могли бы уйти обратно в Землю, и такой результат не получился бы.
Ошибка 1. Считать, что при индукции изолированный проводник сразу получает общий заряд. Так думают, потому что видят положительный и отрицательный участки по отдельности. Проверьте себя: сложите заряды участков — у нейтрального тела сумма должна быть равна нулю.
Ошибка 2. Называть ближнюю сторону положительной рядом с положительным телом. Причина ошибки — забывают, что в металле перемещаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Спросите себя, куда направится электрон: к положительной палочке, значит, ближняя сторона будет отрицательной.
Ошибка 3. Утверждать, что заряженное тело обязательно должно коснуться проводника. Электрическое поле действует на расстоянии, поэтому для индукции достаточно приблизить тело. Проверьте условие: если контакта нет, но есть перераспределение свободных зарядов, это всё равно индукция.
Ошибка 4. Забывать порядок действий при заземлении. Если сначала убрать внешнее тело, зарядовое разделение изменится, и электроны могут вернуться в прежнее состояние. Правильная последовательность такова: внешнее тело, заземление, отсоединение от Земли, удаление внешнего тела.
Для понимания индукции нужны знания об электрическом заряде, притяжении разноимённых и отталкивании одноимённых зарядов, проводниках, диэлектриках и электрическом поле. Эти понятия помогают определить направление движения электронов и знаки индуцированных зарядов.
Дальше тема встречается при изучении электроскопа, заземления и защиты от электрических разрядов. Электростатическое экранирование применяют в металлических корпусах приборов, автомобилях и защитных конструкциях.
Почему нейтральный проводник притягивается к заряженному телу?
Внешнее поле разделяет свободные заряды проводника: на ближней стороне появляется заряд противоположного знака, а на дальней — одноимённый. Противоположный заряд находится ближе, поэтому его притяжение оказывается сильнее отталкивания дальнего заряда.
Изменяется ли общий заряд проводника при электростатической индукции?
У изолированного проводника общий заряд не изменяется: заряды только перемещаются внутри него. Например, нейтральный проводник получает равные по модулю положительный и отрицательный участки.
Почему заряды в проводнике не продолжают перемещаться бесконечно?
Перемещение продолжается, пока внутри проводника существует электрическое поле. После перераспределения зарядов поле внутри проводника становится равным нулю, и свободные заряды прекращают направленное движение.
Зачем при зарядке проводника индукцией используют заземление?
Заземление соединяет проводник с Землёй, которая может принять или отдать большое количество электронов. Если сначала отсоединить заземление, а потом убрать внешнее тело, проводник сохранит полученный заряд.
Можно ли наблюдать электростатическую индукцию в диэлектрике?
В диэлектрике свободные заряды не перемещаются по всему телу, поэтому обычной индукции, как в металле, нет. Но его связанные заряды немного смещаются внутри атомов или молекул, и происходит поляризация.
§ 26. Электростатическая индукция
