Теперь мы обсудим некоторые свойства проводников. Во-первых, электрическое поле внутри проводника в статическом состоянии равно нулю, то есть когда заряды находятся в покое. Если бы внутри проводника существовало электрическое поле, оно оказывало бы силовое воздействие на свободные электроны. Электроны двигались бы до тех пор, пока не заняли бы такие положения, при которых электрическое поле, а следовательно, и действующая на них электрическая сила, стали бы равны нулю.
Это рассуждение имеет несколько интересных следствий. Во-первых, любой избыточный заряд на проводнике распределяется по его поверхности. Для отрицательно заряженного проводника можно представить, что отрицательные заряды отталкиваются друг от друга и стремятся к поверхности, чтобы оказаться как можно дальше друг от друга. Другое следствие заключается в следующем. Предположим, что положительный заряд Q окружен изолированным незаряженным металлическим проводником, имеющим форму сферической оболочки (см. рис. 16–34).
Поскольку внутри металла не может быть электрического поля, линии, исходящие из центрального положительного заряда, должны заканчиваться на отрицательных зарядах, расположенных на внутренней поверхности металла.
То есть, окруженный сферой заряд +Q индуцирует (наводит) равное количество отрицательного заряда -Q на внутренней поверхности сферической оболочки. Поскольку оболочка электрически нейтральна, то положительный заряд той же величины +Q должен существовать на внешней поверхности оболочки. Таким образом, хоть внутри металла и не существует поля, электрическое поле существует снаружи него, как это изображено на рисунке 16-34, будто бы металлической оболочки вовсе нет.
Связанное свойство статических электрических полей и проводников заключается в том, что электрическое поле всегда перпендикулярно поверхности снаружи проводника. Если бы существовала составляющая поля, параллельная поверхности (рис. 16–35), она оказывала бы силовое воздействие на свободные электроны на поверхности, заставляя их двигаться вдоль поверхности до тех пор, пока они не заняли бы положения, в которых результирующая сила, действующая на них параллельно поверхности, стала бы равной нулю — то есть пока электрическое поле не стало бы перпендикулярным поверхности.
Эти свойства применимы только к проводникам. Внутри непроводящего материала, который не имеет свободных электронов, статическое электрическое поле может существовать, как мы увидим в следующей главе. Кроме того, электрическое поле снаружи непроводящего материала не обязательно образует угол 90° с поверхностью.
Пример 16-11. Экранирование. Электрически нейтральный полый металлический ящик расположен между двумя заряженными параллельными пластинами, как показано на рисунке 16-36а. Как выглядит электрическое поле внутри ящика?
Если бы наш металлический ящик был сплошным, а не полым, свободные электроны в ящике перераспределились бы по поверхности до тех пор, пока их индивидуальные поля не скомпенсировали бы друг друга внутри ящика. Результирующее поле внутри ящика стало бы равным нулю. Для полого ящика внешнее поле не изменяется, так как электроны в металле могут двигаться так же свободно, как и раньше, к поверхности. Следовательно, поле внутри полого металлического ящика также равно нулю, и силовые линии показаны на рис. 16–36b. Проводящий ящик является эффективным устройством для защиты чувствительных приборов и электронных схем от нежелательных внешних электрических полей.
Также можно увидеть, что относительно безопасное место во время грозы — это внутри припаркованного автомобиля, окруженного металлом. См. также рис. 16–37, где человек внутри пористой «клетки» защищен от сильного электрического разряда. (Во время грозы небезопасно находиться рядом с деревом, которое может проводить ток, или на открытой местности, где вы выше окружающих объектов.)