В помощь поступающим в вузы. Физика. Молекулярная физика. Тепловые явления. Электричество и магнетизм - Демков В.П.
Скачать (прямая ссылка):
поверхности проводника, а электрическое поле внутри проводника и в
полости будет равно нулю. Поэтому полый проводник экранирует
электрическое поле всех внешних зарядов. На этом свойстве основана
элетростатическая защита: для того, чтобы оградить чувствительные
электрические приборы от воздействия внешних электрических полей, их
заключают в замкнутые металлические оболочки. При этом поля по обе
стороны оболочки полностью не зависят друг от друга.
Отметим, что полый проводник экранирует только поле внешних зарядов. Если
электрические заряды находятся внутри полости, индуцированные заряды
возникнут не только на внешней поверхности проводника, но и на
внутренней. При этом распределение зарядов будет таким, чтобы
результирующее поле зарядов внутри полости и индуцированных зарядов в
любой точке в толще проводника было равно нулю. Однако внутри полости
поле не будет равным нулю.
Теперь представим себе, что вблизи некоторого проводника расположен
точечный заряд. Как индуцированный заряд распределится по поверхности
проводника, чтобы поле в его толще было равным нулю, а поверхность
эквипотенциальна, в общем случае выяснить чрезвычайно сложно. Не менее
сложно вычислить силу, с которой будет действовать поле индуцированных
зарядов на точечный заряд и наоборот. Рассмотрим один весьма интересный
способ решения такой задачи в наиболее простом случае: определим силу
взаимодействия большой проводящей заземленной пластины с точечным зарядом
q, расположенным вблизи ее поверхности.
Предварительно рассмотрим картину поля двух разноименных точечных зарядов
±q. Построим для них систему силовых линий и эквипотенциальных
поверхностей (см. рис. 12.21. а). Рассмотрим некоторую эквипотенциальную
поверхность А с потенциалом <рА. Предположим, что мы изогнули тонкий
152
Рис. 12.21, а Рис. 12.21, б
металлический лист так, что он в точности совпал с частью поверхности А.
Если на нем к тому же установить потенциал срА, то от появления листа в
картине поля ничего не изменится. Если этот же лист замкнуть по всей
поверхности А, то он разделит пространство на две части: одна будет
внутри, другая - снаружи листа. Как указывалось выше, поля в этих
областях не зависят друг от друга. Поэтому независимо от того, каково
поле внутри замкнутого проводника, снаружи поле всегда одно и тоже
(конечно, при условии, что на поверхности проводника поддерживается
потенциал срА). Можно даже заполнить внутренную область металлом (рис.
12.21, б). Следовательно, картина силовых линий и эквипотенциальных
поверхностей точечного заряда (+q) н проводника будет такой же как у
заряда (+q) и у заряда (-q), расположенного в определенном месте
пространства. Прн этом заряд (~q) называют зарядом - изображением.
Легко сообразить, что потенциал поверхности В, расположенной посередине
между зарядами, равен нулю. Поэтому, если, например, левую часть
пространства от поверхности В заполнить металлом (рис. 12.22) и соединить
с Землей, то в правой части поле не изменится. Следовательно, поле двух
точечных зарядов ±q, расположенных на расстоянии 2h, друг от друга,
тождественно полю заземленной проводящей пластины и точечного заряда,
расположенного на расстоянии h от нее. Естественно, справедливо и
обратное утверждение: электрическое поле между заземленной пластиной и
точечным зарядом совпадает с полем, создаваемым этим зарядом и его
зеркальным изображением в этой пластине. При этом сила взаимодействия
точечного
153
заряда с зарядом индуцированным на пластине будет равна силе
взаимодействия двух разноименных точечных зарядов:
F =----^-----.
4я ?q (2й)2
Диэлектрики в электрическом поле
В отличие от проводников в диэлектриках свободных электронов крайне мало.
Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, называют связанными. Под
действием электрического поля заряды могут лишь немного смещаться из
своих положений равновесия; покинуть пределы молекулы, в состав которой
они входят, связанные заряды не могут. Примерами диэлектриков могут
служить стекло, эбонит, различные пластмассы и все газы в нормальных
условиях.
Всякая молекула представляет собой систему с суммарным зарядом, равным
нулю. Однако распределение положительного и отрицательного заряда внутри
различных молекул может быть разным. Если центры масс положительных и
отрицательных зарядов совпадают, то молекулу называют неполярной.
Рис. 12.23
Рассмотрим схематически молекулу такого вещества. Каждый атом такой
молекулы имеет положительно заряженное ядро, окруженное электронами,
которые распределены вокруг ядра равномерно (рис. 12.23, а). В
электрическом поле ядро сместится вдоль силовых линий по полю, а
электроны - противоположно (рис. 12.23, б). При этом центры масс ядра и
электронов уже не будут совпадать. Этот процесс называют поляризацией
вещества. В отличие от рассмотренной молекулы, в природе существуют
молекулы, у которых центры масс положительного и отрицательного зарядов
не совпадают даже при отсутствии внешнего поля. Такие молекулы называют
