§ 5.6. Электростатическое поле в веществе.

Атомы вещества состоят из электронов и положительных ядер, и вещество в обычном состоянии электрически нейтрально. Однако под действием внешнего электрического поля его положительные и отрицательные заряды смещаются в противоположные стороны, так что созданное ими собственное электрическое поле изменяется. Теперь поле в веществе = + отличается от поля в вакууме . С точки зрения электрических свойств интересны два резко различающиеся класса веществ: диэлектрики (изоляторы) и проводники.

Диэлектрики используют для электрической изоляции проводящих тел друг от друга. В диэлектриках заряды под действием внешнего электрического поля смещаются в пределах атома и называются связанными. Созданное ими собственное поле направлено навстречу внешнему полю, так что напряженность поля в диэлектрике Е уменьшается по сравнению с Е₀. На рис.23 показан однородный неполярный диэлектрик. В неполярном диэлектрике в отсутствии внешнего электрического поля «центры тяжести» положительного и отрицательного зарядов молекулы совпадают, и ее дипольный момент равен нулю.

Внешнее электрическое поле (его силовые линии сплошные) смещает эти «центры тяжести» в противоположные стороны. Каждая молекула превращается в электрический диполь. Внутри диэлектрика суммарный заряд всех диполей равен нулю, а на противоположных поверхностях диэлектрика возникают нескомпенсированные разноименные связанные заряды. Это явление называется поляризацией диэлектрика. Поляризованный диэлектрик создает собственное электростатическое поле (силовые линии штриховые), направленное навстречу . В диэлектриках другого типа (полярных, кристаллических) механизм поляризации носит другой характер. Однако возникшее в результате поляризации собственное поле все равно направлено навстречу внешнему полю . Густота силовых линий в диэлектрике уменьшается по сравнению с вакуумом. Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика показывает, во сколько раз уменьшается поле в диэлектрике по сравнению с полем в вакууме, созданное одними и теми же внешними источниками:

(5.6.1)

Для многих однородных диэлектриков (кроме сегнетоэлектриков) ее значение не зависит от величины внешнего поля, и его можно найти в соответствующих таблицах физических свойств веществ. Заметим, что ₀E₀=₀E. Эту величину обозначают D, называют электрическим смещением или электрической индукцией. Это еще одна вспомогательная векторная характеристика электрического поля: в однородном диэлектрике

(5.6.2)

Напряженность – силовая (физическая) характеристика поля. Она определяется как внешними, так и внутренними по отношению к диэлектрику зарядами. Электрическое смешение – вспомогательная (геометрическая) характеристика, связанная только с внешними по отношению к диэлектрику зарядами. Из формул (5.6.1) и (5.6.2) следует, что формулы для электростатического поля в вакууме становятся пригодными для поля в диэлектрике, если в них ₀ поменять на ₀.

В проводниках имеются заряженные частицы, способные под действием сколь угодно малого электрического поля перемещаться в пределах объема тела. Такие заряды называются свободными. Хорошими проводниками являются металлы, например, медь, алюминий, серебро. Атомы элементов первой и второй групп таблицы Менделеева в свободном состоянии имеют соответственно один или два валентных электрона. Взаимодействие атомов в металле приводит к тому, что валентные электроны покидают свой атом, становятся свободными и образуют своеобразный «электронный газ». Положительно заряженные ионы, получившиеся из атомов, образуют кристаллическую решетку, погруженную в электронный газ. В отсутствие внешнего электрического поля тепловое движение свободных электронов равномерно распределяет их по объему проводника. В результате в любой части объема проводника суммарный заряд равен нулю: положительный заряд кристаллической решетки и отрицательный заряд электронного газа компенсируют друг друга.

Поместим металлический проводник во внешнее электрическое поле или сообщим ему какой-нибудь заряд. В обоих случаях на заряды действует электрическое поле, и смещает свободные электроны против поля. Такое движение электронов (кратковременный ток) приводит к перераспределению зарядов и наступлению равновесия. Этот процесс практически занимает доли секунды. Силы обращаются в ноль, следовательно, внутри проводника Е=0, и силовые линии не проникают внутрь проводника. Следовательно, поток вектора напряженности через любую замкнутую поверхность внутри проводника равен нулю. Из теоремы Гаусса следует, что в статическом случае суммарный заряд внутри проводника также равен нулю, и на поверхности проводника распределяются нескомпенсированные заряды. Отсутствие поля внутри проводника означает, что проводник является эквипотенциальным телом: во всех его точках внутри и на поверхности  =const. Силовые линии суммарного поля прерываются на поверхности проводника, и перпендикулярны поверхности. В противном случае составляющая поля, параллельная поверхности, вызвала бы движение зарядов, а это противоречит условию равновесия.

На рис. 24-а изображен проводник, которому сообщили избыточный положит ельный заряд, и этот заряд распределился в тонком поверхностном слое, создав вне проводника свое электрическое поле. На рис.23 – б в однородное электрическое поле (его силовые линии показаны тонкими пунктирными линиями) внесли незаряженный металлический проводник. Смещение свободных электронов против поля привело к возникновению на одной стороне поверхности нескомпенсированного отрицательного заряда, а на противоположной стороне – равного ему по величине положительного. Эти заряды называются индуцированными, а физическое явление их возникновения называется электростатической индукцией. Суммарное поле, разумеется, отличается от исходного. На рисунке его силовые линии изображены черными сплошными линиями. Если помещенный в поле проводник разделить на две части (левую и правую на нашем рисунке) и разъединить их, то получим два разноименно заряженных тела, даже если их удалить их внешнего поля.

Рассмотрим, как распределяются заряды по поверхности проводника в зависимости от ее формы. Пусть имеются два заряженных шарообразных (сферических) проводника разных радиусов, расстояние между которыми достаточно велико, чтобы можно было считать их уединенными заряженными сферами. Напомним, что заряженная сфера создает электрическое поле вне своего объема, причем, такое же, какое создает точечный заряд, равный заряду сферы и помещенный в ее центр, так что потенциал поверхности сферы =q/4₀r=S/4₀r=r/₀. Здесь  - поверхностная плотность заряда, S=4r² – площадь сферы. Соединим заряженные сферы тонким проводником, и получим единый проводник. Заряды перераспределятся на его поверхности в соответствии с условиями равновесия. Учитывая, что потенциалы во всех точках проводника внутри и на поверхности одинаковы, получили, что  =const. Это значит, что поверхностная плотность заряда обратно пропорциональна радиусу кривизны поверхности. Особенно велика концентрация зарядов на остриях. Поэтому напряженность поля вблизи острия может быть такой большой, что возникает ионизация молекул воздуха вблизи него. Ионы противоположного знака, нежели заряд острия, притягиваются к нему и уменьшают заряд острия. Ионы одного знака с зарядом острия отталкиваются от него и увлекают за собой нейтральные молекулы газа. Возникает «электрический ветер», создающий эффект стекания заряда с острия.⁶ Свойство зарядов концентрироваться на острие объясняет, почему во время грозы молния чаще всего ударяет в высокие деревья и в высокие постройки. Это свойство используют на практике, в частности, при устройстве громоотводов (точнее, молниеотводов).

Еще раз подчеркнем свойства электростатического поля в веществе:

• В электростатическом поле диэлектрик поляризуется и ослабляет поле.

• Электростатическое поле не проникает внутрь проводника. Если надо уберечь от воздействия внешнего электростатического поля какое-либо устройство, достаточно окружить его проводящим экраном (металлической сеткой). На практике такие экраны используют для электростатической защиты.