7) Проводники в электрическом поле.

Главная особенность проводников состоит в том, что они располагают носителями зарядов, способными свободно перемещаться по проводнику под действием сколь угодно малого электрического поля. В металлах — это свободные электроны, в электролитах — заряженные ионы. Незаряженный проводник, например металлический предмет, имеет в равном количестве положительные и отрицательные заряды. Зарядить такой проводник отрицательно — значит предать ему избыточное число электронов. Если необходимо на проводнике создать избыточный положительный заряд, нужно часть электронов убрать. Такие операции нарушают баланс зарядов на проводнике в ту или иную сторону. Итак, зарядим проводник, например, отрицательно, сообщив ему избыточные электроны. Мы рассматриваем статическую задачу, когда заряды на проводнике находятся в равновесии. Это равновесие возможно только в том случае, если электрическое поле внутри проводника равно нулю: , тогда и сила, действующая на носитель заряда, будет равна нулю: . В этом и состоит условие равновесия. Вспомним соотношение напряжённости и потенциала поля Если поле внутри проводника отсутствует ( ), то потенциал всех точек проводника одинаков ( = const). Поверхность такого проводника эквипотенциальна. Действительно, все точки заряженного проводника должны иметь один и тот же потенциал. Если бы это было не так, то между точками с разными потенциалами возник бы электрический ток, то есть направленное движение электрических зарядов, что означало бы нарушение условия равновесия. Заряженный проводник создаёт в окружающем пространстве электростатическое поле. Силовые линии этого поля должны быть перпендикулярны к поверхности проводника, поскольку она эквипотенциальна Выделим внутри заряженного проводника гауссову поверхность (I). Поскольку поле внутри проводника отсутствует, поток вектора напряжённости через эту поверхность равен нулю . Это означает, что избыточные заряды внутри проводника отсутствуют. Где же находится тот избыточный отрицательный заряд, который был сообщен проводнику? Он располагается по поверхности проводника. Воспользуемся теоремой Гаусса и установим связь напряжённости поля и плотности электрического заряда на поверхности проводника. Выделим гауссову замкнутую поверхность в виде цилиндра, одно основание которого находится внутри, а другое — вне проводника, вблизи его поверхности (рис. 4.2.) Образующие цилиндра — нормальны к поверхности проводника. Поток через выделенную поверхность равен потоку вектора напряжённости лишь через основание S, находящееся вне заряженного тела. Отсюда следует, что Напряжённость поля выше вблизи тех точек поверхности тела, где поверхностная плотность заряда больше. Высокое значение напряженности электрического поля вблизи острия проводника, ионизация молекул воздуха в этой области, объясняют применение заземлённых проводников в качестве молниезащиты. Теперь поместим незаряженный проводник — пусть это будет металлический образец — в электрическом поле. Под действием электрических сил свободные электроны образца придут в движение в направлении, противоположном направлению силовых линий внешнего поля. В результате этого перераспределения зарядов, в проводнике возникнет встречное поле — поле, обусловленное наведёнными, индуцированными зарядами на проводнике. Это поле будет ослаблять исходное внешнее поле (Е₀). Разделение зарядов на проводнике закончиться тогда, когда суммарное поле в проводнике окажется равным нулю Перераспределение электрических зарядов проводника под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукции. Индукционные заряды возникают на поверхности проводника. При этом его внутренняя часть остаётся электронейтральной. Её можно удалить, создав таким образом в проводнике полость. В этой полости по-прежнему отсутствует электрическое поле. Поле, существующее вне проводника, благодаря явлению электрической индукции, не проникает в его внутреннюю полость. Если необходимо исключить влияние внешних электрических полей на какой-либо прибор, то его помещают в полость проводника, обеспечивая, таким образом, его электростатическую защиту.