Для школьников.
На рисунке пунктирными линиями изображены силовые линии однородного электростатического поля, созданного, например, параллельными противоположно заряженными плоскостями (силовые линии идут параллельно друг другу и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга).
Сплошные линии - это силовые линии того же поля, когда в него внесли проводник.
Объясним этот рисунок. Для этого вспомним (см. занятие 32), что проводник (металл) имеет кристаллическое строение. В узлах кристаллической решётки металла находятся положительно заряженные ионы (атомы, от которых оторвались валентные электроны). Эти электроны являются свободными, то есть они свободно перемещаются в металле.
Вернёмся к нашему рисунку. Свободные электроны в металле, под действием сил электрического поля, переместятся против поля и соберутся на левой поверхности проводника, зарядив её отрицательно. Правая же поверхность проводника зарядится положительно, так как электроны ушли влево, поэтому здесь будет избыток положительных зарядов. Получается, что проводник разрывает силовые линии электростатического поля - они замыкаются на отрицательные заряды и снова начинаются на положительных. Причём силовые линии подходят и отходят под прямым углом к поверхности проводника. Внутри проводника поле отсутствует.
Заряды, возникшие на левой и правой частях поверхности проводника называются индукционными, а само явление их появления называется явлением электростатической индукции.
Рассуждаем далее. Представим, что изображённый проводник состоит из двух соединённых (левой и правой) частей. Если в электростатическом поле эти части разъединить, то получим два разноимённо заряженных проводника.
Показанный на рисунке проводник может быть полым, а не сплошным. Будет всё то же самое, избыточные заряды распределятся по внешней поверхности проводника.
Теперь представим, что внутрь полости проводника помещён положительный точечный заряд, а полый проводник присоединён к стержню электроскопа (рис. а).
Положительный точечный заряд создаст вокруг себя неоднородное электрическое поле, а полый проводник окажется в этом поле.
Как и на предыдущем рисунке, свободные электроны в проводнике станут двигаться против поля и соберутся на внутренней поверхности полости, зарядив её отрицательно. Силовые линии поля, созданного точечным зарядом, замкнутся на эти индуцированные отрицательные заряды. Внешняя же поверхность полого проводника при этом зарядится положительными индуцированными (или наведёнными) зарядами, так как свободные электроны ушли на внутреннюю поверхность полого проводника.
Произошла электризация проводника, то есть разделение положительных и отрицательных зарядов. Причём общий индуцированный отрицательный заряд равен по модулю общему индуцированному положительному заряду и равен точечному заряду. Листки электроскопа разошлись, показывая величину этого заряда.
Если теперь точечный заряд привести в соприкосновение с внутренней поверхностью полости (рис. б), то точечный положительный заряд и суммарный индуцированный отрицательный заряд внутренней поверхности полости нейтрализуют друг друга. На внешней же поверхности полого проводника останется индуцированный положительный заряд, равный точечному заряду, внесённому в полость проводника (листки электроскопа остались разведёнными на тот же угол).
Итак, нами рассмотрен механизм появления индуцированных электрических зарядов на поверхности проводника.
Задача
В центр проводящей сферы радиусом
на изолированной палочке помещён маленький шарик с зарядом
Найти поверхностную плотность заряда на внешней поверхности сферы. Изменится ли эта плотность при изменении положений шарика внутри сферы?
Решение. Независимо от положения заряженного шарика внутри сферы, на внешней её поверхности появляются индукционные заряды одинаковые с зарядом шарика (и по знаку, и по модулю) с поверхностной плотностью, равной отношению заряда к площади внешней поверхности сферы (хотя электрическое поле внутри сферы при этом меняется):
Более подробно об индукционных зарядах и явлении электростатической индукции говорится в занятии 52.
Пример на явление электростатической индукции.
На рисунке показаны два заряженных разноимёнными зарядами электроскопа, к шарикам которых приближают положительно заряженную стеклянную палочку.
При этом на проводящих стержнях электроскопа возникают индукционные заряды: на ближнем к палочке конце стержня возникают индукционные заряды противоположного знака (для левого электроскопа это будет отрицательный заряд, для правого - положительный); на дальнем к палочке конце стержня возникают индукционные заряды одного с палочкой знака.
Поэтому листки левого электроскопа получат дополнительный положительный индукционный заряд и разойдутся на больший угол. Листки же правого электроскопа имели отрицательный заряд и приобрели индуцированный положительный заряд, поэтому их заряд уменьшится и, соответственно, уменьшится угол их расхождения.
Таким методом можно пользоваться для нахождения знака заряженного электроскопа, если известен знак заряда предмета, поднесённого к электроскопу.
Ещё ответим на такой вопрос:
"Почему при поднесении руки к заряженному шарику, подвешенному на шёлковой нити, он притягивается к руке?"
Ответ: " Потому, что на руке появляется индукционный заряд противоположного знака"
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Электроскоп. Что можно определить с помощью этого прибора?
Следующая запись: Электрометр - прибор для измерения разности потенциалов.
Ссылки на занятия (до электростатики) даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (начиная с электростатики) даны в Занятии 45.
