"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Проводники и диэлектрики по-разному ведут себя в электрическом поле из-за того, как устроены заряды внутри вещества. В металлах есть подвижные электроны, поэтому заряд может перераспределяться, а электрический ток — проходить через тело. В диэлектриках заряды связаны с атомами и молекулами: всё тело они не пересекают, хотя вещество может поляризоваться. Эти свойства помогают объяснить электризацию тел, заземление и выбор материалов для электрических устройств.
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, способные перемещаться по всему телу. Например, в металле электроны могут переходить от одного участка к другому. Это свойство позволяет проводникам переносить электрический заряд и проводить ток.
Диэлектрик — вещество, в котором заряженные частицы связаны с атомами или молекулами и не могут свободно перемещаться по всему телу. К диэлектрикам относятся, например, стекло и резина. Это понятие помогает отличать материалы, которые проводят заряд, от материалов, которые служат изоляцией.
Свободные заряды — электроны или ионы, способные перемещаться внутри вещества под действием электрического поля. Ионы — это заряженные атомы или группы атомов. Свободные заряды важны потому, что именно их перемещение создаёт ток и меняет распределение заряда в проводнике.
Электростатическая индукция — перераспределение свободных зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля. Заряженное тело может вызвать такое разделение, даже если не касается проводника. Термин помогает описать влияние одного тела на заряды другого без прямого переноса между ними.
В металлах некоторые электроны не удерживаются возле одного атома и могут перемещаться по всему куску металла. Если на них действует электрическое поле, электроны начинают двигаться упорядоченно, и возникает электрический ток. По той же причине лишние электроны могут быстро перераспределиться по металлическому телу. Вещества, где подвижных зарядов мало или они почти неподвижны, проводят ток значительно хуже.
В диэлектрике положительные и отрицательные заряды связаны внутри атомов или молекул, поэтому они не могут пройти через всё тело. Однако внешнее поле способно немного сместить положительные и отрицательные заряды относительно друг друга или повернуть молекулы. Это называют поляризацией: соседние участки диэлектрика оказываются слегка различными по заряду. Поляризация объясняет взаимодействие диэлектрика с заряженным телом, но не означает свободного движения заряда сквозь материал.
Если поднести заряженный предмет к незаряженному металлическому проводнику, его электрическое поле начнёт действовать на свободные заряды проводника. Например, отрицательно заряженная палочка отталкивает электроны, и те перемещаются к дальней стороне шара. Ближняя сторона из-за недостатка электронов оказывается положительно заряженной, а дальняя — отрицательно. Такой способ разделения зарядов и называется электростатической индукцией.
Если проводник изолирован от Земли, электроны не могут покинуть его, поэтому разделение зарядов не меняет общий заряд. После удаления внешнего заряженного тела его поле перестаёт действовать, и заряды снова распределяются равномерно. При соединении проводника с Землёй электроны могут переходить между ним и Землёй. Если заземление убрать, пока внешнее поле ещё действует, на проводнике останется избыток или недостаток электронов, то есть появится общий заряд.
В электростатическом равновесии заряды проводника уже не движутся. Если бы внутри оставалось электрическое поле, оно продолжало бы действовать на свободные заряды и приводило бы их в движение, значит, равновесия не было бы. Поэтому внутри проводника поле равно нулю. Избыточные заряды отталкиваются и распределяются по поверхности, где могут удалиться друг от друга; форма проводника влияет на то, как именно они там распределены.
Сравнивайте материалы по наличию и подвижности зарядов: это объясняет, как они реагируют на поле и для чего подходят. В строке о поведении во внешнем поле различайте перераспределение свободных зарядов в проводнике и поляризацию диэлектрика. Примеры и применение помогают связать устройство вещества с привычными предметами.
| Свойство | Проводники | Диэлектрики |
|---|---|---|
| Наличие свободных заряженных частиц | Есть подвижные заряды, например электроны в металлах | Заряды связаны с атомами или молекулами |
| Возможность перемещения зарядов по всему телу | Заряды могут перемещаться по всему телу | Свободного перемещения через всё тело нет |
| Поведение во внешнем электрическом поле | Свободные заряды перераспределяются | Возможна поляризация |
| Распределение избыточного заряда | В равновесии находится на поверхности | Свободный избыточный заряд не распределяется по всему телу так, как в проводнике |
| Примеры веществ | Медь, алюминий, графит | Стекло, резина, сухой воздух |
| Практическое применение | Провода, электрические контакты, заземление | Изоляция проводов, детали конденсаторов |
Задача 1. Распределите по группам медь, стекло, алюминий, резину, графит и сухой воздух. Укажите, какие частицы обеспечивают проводимость в металлах.
Ответ: проводники — медь, алюминий и графит; диэлектрики — стекло, резина и сухой воздух. В металлах ток связан с движением свободных электронов.
Задача 2. К незаряженному металлическому шару поднесли, не касаясь его, отрицательно заряженную палочку. Как перераспределятся заряды и почему шар в целом останется нейтральным?
Ответ: ближняя сторона шара будет положительной, дальняя — отрицательной. Шар в целом останется нейтральным.
Задача 3. Металлический шар соединили с Землёй, когда рядом находилась отрицательно заряженная палочка. Затем сначала убрали заземление, а потом палочку. Определите знак заряда шара.
Ответ: шар будет заряжен положительно. Чтобы заряд сохранился, заземление нужно убрать раньше палочки.
Ошибка — считать, что любой материал проводит ток одинаково хорошо. Она возникает, если судить только по внешнему виду предмета, а не по его внутреннему строению. Проводимость зависит от количества и подвижности свободных зарядов. Проверьте себя: спросите, могут ли заряды перемещаться по всему веществу.
Ошибка — утверждать, что при электростатической индукции проводник без заземления получает заряд. Часто путают разделение зарядов и изменение их общего количества. Без контакта с Землёй свободные заряды только перераспределяются. Для проверки сравните общий заряд проводника до и после индукции: он остаётся прежним.
Ошибка — считать, что внутри проводника всегда есть электрическое поле. Поле может быть во время перераспределения зарядов, но в электростатическом равновесии свободные заряды прекращают движение, а поле внутри равно нулю. Проверяйте, указано ли равновесие: именно оно является условием этого вывода.
Ошибка — говорить, что заряд свободно проходит через диэлектрик, если его молекулы реагируют на поле. Смешивают движение связанных зарядов внутри молекул с перемещением зарядов по всему телу. В диэлектрике возможна поляризация, но она не равна проведению заряда сквозь материал. Проверьте себя: различайте небольшое смещение зарядов и их перенос от одного края тела к другому.
Для понимания темы нужно знать, что такое электрический заряд, как заряды взаимодействуют и что электрическое поле действует на заряженные частицы. Пригодятся также способы электризации тел. Дальше эти знания помогут разбирать заземление и электростатическую защиту, понимать устройство конденсаторов и выбирать материалы для электрических цепей. Связь с движением зарядов в проводниках ведёт к следующей теме — электрическому току.
Почему металлы проводят электрический ток, а резина и стекло — нет?
В металлах часть электронов может перемещаться по всему веществу, поэтому электрическое поле вызывает направленное движение зарядов — ток. В резине и стекле заряды связаны с атомами или молекулами и не могут свободно пройти через всё тело.
Может ли незаряженный проводник притягиваться к заряженному телу?
Да. Заряженное тело вызывает перераспределение зарядов в проводнике: ближе к нему оказывается заряд противоположного знака. Поскольку противоположные заряды расположены ближе, притяжение сильнее отталкивания удалённых одноимённых зарядов.
Заряжается ли проводник при электростатической индукции без прикосновения?
Без заземления общий заряд проводника не меняется: внутри него лишь разделяются заряды разных знаков. Один участок получает избыток электронов, другой — их недостаток, но сумма зарядов остаётся прежней.
Зачем проводник соединяют с Землёй?
Земля может принимать электроны от проводника или отдавать их ему, поэтому заземление позволяет изменить его общий заряд. Так проводник можно зарядить или безопасно отвести с него лишний заряд.
Почему избыточный заряд проводника находится на его поверхности?
В электростатическом равновесии свободные заряды уже не перемещаются. Если бы избыточный заряд оставался внутри, он создавал бы там электрическое поле и продолжал бы двигать другие заряды; поэтому заряды перераспределяются к поверхности, а поле внутри становится равным нулю.
5. Проводники и диэлектрики
