Так как напряженность поля внутри проводника равна нулю, то разность потенциалов между любыми точками проводника равна нулю, или, что-то же самое, все точки проводника обладают одинаковым потенциалом. В частности, поверхность проводника имеет один и тот же потенциал, значит у поверхности проводника вектор напряженности направлен перпендикулярно ей.
В условиях электростатики объемная плотность заряда внутри проводника везде равна нулю. Если бы в какой-то точке проводника она отличалась от нуля, то по теореме Гаусса отличалась бы от нуля и напряженность поля, что, как только что объяснялось, невозможно.
Теперь можно понять, что происходит с металлом, помещенным в электростатическое поле. Очень быстро свободные носители перераспределяются так, чтобы поле внутри стало равным нулю. На поверхности концентрируются заряды, которые «автоматически» распределяются так, чтобы поле внутри проводника отсутствовало.
Нечто подобное происходит, если проводнику сообщить избыточный заряд. Этот заряд растекается по поверхности проводника так, чтобы поле внутри стало равным нулю. Разумеется, внутри проводник остается нейтральным.
2.2. Диэлектрики
Диэлектриками называются вещества, не проводящие электрический ток. Они не содержат свободных зарядов, и внутри диэлектрика, помещенного в электростатическое поле, напряженность не равна нулю.
Для того, чтобы определить поле внутри диэлектрика, необходимо уяснить, как он устроен. Для этого потребуется новое понятие — диполь.
Электрическим диполем называется система двух зарядов, равных по величине, но разных знаков. Можно доказать, что напряженность поля диполя на больших расстояниях r от него равна
где p — дипольный момент (произведение заряда q на радиус-вектор 1, проведенный от отрицательного заряда к положительному); r — радиус-вектор, проведенный от диполя в точку наблюдения (см. рис. 12).
Рис. 12
Если диполь поместить в однородное электрическое поле, то суммарная сила, действующая на него, будет равна нулю, т.к. силы, действующие на положительный и отрицательный заряды, равны по величине и противоположны по направлению. Но суммарный момент сил, действующих на диполь, не равен нулю, поэтому диполь повернется.
Все диэлектрики можно разделить на полярные и неполярные. В полярных диэлектриках каждая молекула, являясь в целом электрически нейтральной, представляет собой маленький электрический диполь и обладает каким-то дипольным моментом. Во многих диэлектриках в отсутствии внешнего поля все молекулы ориентированы хаотически, и суммарный дипольный момент всех молекул, находящихся в единице объема, равен нулю. Если же внести полярный диэлектрик в электрическое поле, то ориентация диполей будет уже не столь хаотичной, так как каждый диполь немного поворачивается. Таким образом, дипольный момент единицы объема полярного диэлектрика, помещенного в поле, не равен нулю.
В неполярных диэлектриках дипольный момент каждой молекулы равен нулю, значит и дипольный момент единицы объема равен нулю. Если же неполярный диэлектрик поместить во внешнее поле, то под действием этого поля электроны каждой молекулы немного сместятся в одну сторону, а протоны в другую. В результате каждая молекула приобретает дипольный момент, и дипольный момент единицы объема становится отличным от нуля. (Существуют диэлектрики, у которых дипольный момент единицы объема не равен нулю и при отсутствии внешнего поля. Они называются сегнетоэлектриками и в дальнейшем рассматриваться не будут).
Итак диэлектрик, помещенный в электростатическое поле, приобретает дипольный момент, а это значит, что на концах диэлектрика появляются заряды. Эти заряды называются поляризационными, и их невозможно отделить от диэлектрика.
2.3. Поверхностная плотность поляризационного заряда диэлектрика
Введем новую величину, называемою поляризованностью диэлектрика. Она равна отношению суммарного дипольного момента в некотором объеме к величине этого объема V:
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.