Проводники в электростатическом поле

на сегодняшнем уроке мы поговорим о том как ведут себя в электрическом поле проводники тема проводники в электрическом поле проводники в электрическом поле домашнее задание это домашнее задание на завтра под 2 уроком поэтому и потому который будет через час конспект далее по учебнику мякишева параграфы 93 94 95 93 94 95 и задачи по рынкевич у с нами ранее 95 719 720 а также 722 тире 724 5 задачи итак проводники в электрическом поле давайте вспомним что такое проводники проводниками называются вещества в которых возможно направленное движение заряженных частиц запишем хотя мы это в восьмом классе уже писали но повторим проводниками называются вещества в которых возможно направленное движение заряженных частиц вещества в которых возможно направленное движение заряженных частиц что это за заряженной частицы в различных проводниках это могут быть заряженной частицы разных видов например если речь идет о металле так как вы помните металлы это наиболее ярко выраженные проводники в металлах такими заряженными частицами являются свободные электроны они могут перемещаться от одного конца проводника до другого есть конечно и электроны которые находятся на внутренних слоях атомов из которых состоят металлы но об этих электронных речь в данном случае не идет бывают проводники в которых носителями заряда являются и он и к таким проводникам относятся например раствор и водные растворы солей кислот и щелочей а бывают проводники в которых носителями заряда являются как электронный так и и он и это газы которые можно определенным образом подготовить к тому чтобы они стали проводниками другими словами чтобы они стали проводниками нужно создать там ионы и свободные электроны сегодня немного об этом мы тоже будем говорить итак для простоты для конкретности будем считать что мы имеем дело с металлом но все что будет говориться сейчас распространяется и на другие проводнике электрическое поле мы будем создавать с помощью устройства с которым познакомились на прошлом уроке с помощью конденсатора итак допустим у нас есть плоский can dance автор который создает электрическое поле левая пластина пусть заряжено положительно правая отрицательно здесь заряд плюс q здесь заряд минус q покажем вектор напряженности электрического поля вот это электрическое поле создаваемой пластинами конденсатора или еще говорят обкладками конденсатора напряженность этого поля обозначенные нулевое поле или правильнее сказать напряженность поля , создаваемого конденсатор вообще может быть поле создаваемой и другими системами зарядов но для наглядности пусть это будет конденсатор теперь в этот промежуток между пластинами конденсатора поместим проводник например кусок металла проводник в проводнике имеются свободные носители заряда когда мы помещаем проводник во внешнее поле то эти носители заряда оказавшись в этом внешнем поле начинают двигаться отрицательно заряженные электроны начинают двигаться против поля если здесь проводник ионного типа положительно заряженные ионы движутся вправо отрицательно заряженные ионы движутся влево и слева появляются отрицательные заряды на нашем рисунке слева справа появляются положительные заряды эти заряды появились благодаря наличию внешнего электрического поля такие заряды называются индуцированные заряды индуцированные по мере того как индуцированные заряды накапливаются на поверхности проводника с этой и с этой стороны увеличивается поле которое создается индуцированными зарядами ведь индуцированные заряды на тех же правах что и заряды на пластинах создают свое электрическое поле но как она будет направлена давайте посмотрим она направлена от положительных индуцированных зарядов к отрицательным то есть наоборот в направлении противоположном направлению внешнего поля то есть она направлена вот так влево по мере того как заряды будут перераспределяться по мере того как количество индуцированных зарядов будет увеличиваться поле создаваемой индуцированными зарядами будет тоже увеличиваться напряженность поля создаваемого индуцированными зарядами мы обозначим вот так и вектор с индексом и напряженность поля индуцированных зарядов напряженность поля индуцированных зарядов тогда напряженность поля в проводнике будет складываться из напряженностей двух полей поля внешних зарядов и нулевое и поле индуцированных зарядов я общая напряженность поля в проводнике вот здесь представляет собой по принципу суперпозиции векторную сумму этих двух полей я нулевой вектор плюс е индуцированные вектор по мере того как индуцированные заряды накапливаются на поверхности левой правой поверхности проводника поля индуцированных зарядов увеличивается значит напряженность поля внутри проводника становится все меньше и меньше и до каких пор она будет уменьшаться до тех пор пока не уменьшится до нуля как только поле упадет до нуля хоть здесь в проводнике и много свободных носителей заряда они перестанут двигаться и установится определенная поверхностная плотность индуцированных зарядов и произойдет это практически мгновенно за время то у меньше чем 10 в минус 13 секунды напряженность поля индуцированных зарядов по модулю станет равна напряженности внешнего поля и в результате поле внутри проводника исчезнет я индуцированная по модулю станет равно е 0 в результате я общая напряженность поля станет равна нулю я равняется но это произойдет практически мгновенно отсюда вывод электростатическое поле в проводнике существовать не может электростатическое поле в проводнике существовать не может подчеркнем электростатическое то есть поле создаваемая неподвижными зарядами если речь идет о переменных полях то так утверждать уже будет нельзя итак электростатическое поле в проводнике существовать не может мгновенно индуцированные заряды с компенсируют поле внешних зарядов и поле в проводнике прекратит свое существование еще несколько важных выводов которые мы сегодня запишем если проводник заряжен будет ли в нем существовать электростатическое поле в его объеме только что мы с вами поместили незаряженный кусок проводника в электрическое поле и поле в нем исчезла а если взять просто кусок металл и зарядить его скажем с помощью электро формой машины или эбонитовой палочке понятно что он будет обладать каким-то зарядом но поле внутри проводника по-прежнему будет отсутствовать потому что если бы рассуждаем методом от противного если бы поле внутри проводника при этом от того что он заряжен существовало бы то поскольку это проводник то в нем свободно носители заряда тут же пришли бы в движении и поле которые они создали скомпенсировал а бы поле тех зарядов которыми мы зарядили наш проводник и так не имеет никакого значения заряжен проводник или он электрически нейтрален в его объеме поля нет но в таком случае если мы зарядили проводник где же находятся те заряды которые мы сообщили проводнику вывод заряды в заряженном проводнике располагаются на его поверхности заряды располагаются на поверхности проводника на поверхности то есть если у нас есть какой-то проводник и мы сообщим ему электрический заряд например отрицательный то он размещается на поверхности проводника в объеме соблюдается электрическая нейтральность кстати доказать это можно и еще одним способом опять-таки допустим что в проводнике в объеме есть какой-то не скомпенсированы заряд ну допустим какие-то положительные заряды предположим что так будет тогда окружен ту область где эти заряды сосредоточены воображаемой поверхностью и воспользуемся теоремой остроградского по старинке говорю теоремы остроградского голоса воспользуемся теоремой гаусса поток вектора через вот напряженности поля через вот эту поверхность равен суммарному заряду который находится внутри этой поверхности если здесь имеются заряды значит существует поток вектора напряженности через поверхность которой мы эти заряды окружили но если есть поток fi не равно нулю отсюда следует что поле отлично от нуля внутри проводника но перед этим мы показали что внутри проводника поля существовать не может отсюда вывод что такая предпосылка неверна и так еще раз обратил внимание что даже если проводник заряжен кто внутри поля не будет а заряды в заряженным проводники располагаются на поверхности проводника и тогда звук довольно естественный результат если вспомнить что одноимённые заряды отталкиваются поэтому они стремятся удалиться друга друга на максимальное расстояние если проводник имеет форму например шара то понятно что если он заряжен то заряды расположится на поверхности проводника на поверхности шара причем поскольку все точки шары равноправны то они разместятся равномерно по поверхности проводника то есть поверхностная плотность заряда будет постоянно во всех точках проводника этим кстати следует пользоваться при решении задач а что если проводник не имеет сферическую форму а что если он имеет вот например такую форму заострением поскольку одноимённые заряды отталкиваются то они стремятся как можно дальше друг от друга отойти и поэтому располагаться они на поверхности будут уже не равномерно ну допустим это будут положительные заряды на острие на самом удаленном участке проводника их поверхностная плотность будет больше чем на остальных участках вот здесь у нас будет скопление зарядов можно показать что поверхностная плотность зарядов тем больше чем меньше радиус кривизны поверхности чем меньше радиус кривизны поверхности то есть чем заострение эта поверхность тем больше поверхностная плотность заряда а раз так то здесь электрическое поле будет иметь весьма высокую напряженность растут скопления заряда значит здесь высокая значение напряженности поля высокое значение напряженности поля и на остриях можно получить настолько большие значения напряженности поля что если это остриё находится в воздухе или в другом газе то возникает явление которое называется ионный ветер давайте подробнее поговорим об этом явлении допустим у нас есть иголка которое подключено проводником к кондуктору electra формой машины вот электро формой а машина и мы к одному из электродов эти электроды называются кондукторами подключаем присоединяем иглу напряженность поля на поверхности иглы очень большая ну допустим здесь положительный заряд что происходит игла окружена газом воздухом воздух состоит из молекул и вот какая-то нейтральная молекула воздуха одного из газов входящих состава воздуха оказалось неподалеку от острия оно само по себе нейтрально поэтому существенной силы электрической на нее действовать не будет но дело в том что в пространстве всегда найдется какой-нибудь свободный электрон дело в том что солнце присылает к нам на землю ионизирующее излучение которое порождает в воздухе небольшое количество свободных электронов этот свободный электрон поскольку его масса очень маленькая он моментально разгоняется до высоких скоростей под действием электрического поля этой иглы и если этот свободный электрон ударяется о молекул он выбивает из этой молекулы еще один электрон сам при этом тоже вылетает е минус х минус е минус а молекула превращается в положительно заряженный ион под действием электрической силы этот и он будет отталкиваться от острия и двигаться в этом направлении такие ионы рождаются в пространстве вокруг иглы и двигаясь от иглы порождают направленное движение ионизированного воздуха и то есть ионный ветер ионный ветер мы можем даже обнаружить этот ион и ветер на опыте давайте попробуем это сделать итак у нас есть электро for на я машина проверим работает она или нет работает присоединим проводник к кондуктору электро формой машины возьмем свечу которое будет работать в качестве регистратора ионного ветра зажженные и пока оно разгорается соберем экспериментальную установку состоящую из иглы эту иглу мы направим на пламя свечи чтобы нам было лучше видно установлен установим видеокамеру вот так теперь электро форму машину приблизим и присоединим проводник к острию с помощью проводить кого такого разведем кондукторы и начинаем вращать электро форме машин дадим покрупнее картинку и посмотрим что будет вы видите что пламя свечи отклоняется и при желании может быть даже иногда удается его полностью погасить не знаю получится на этот раз или нет ну не будем на это терять время во всяком случае присутствие движения воздуха мы четко зарегистрировали можно даже немножечко по-другому этот опыт поставить давайте мы сейчас с вами уберем свечу и присутствие ионного ветра зарегистрируем с помощью вот такой вертушки вот она разместим иглу вертикально и поместим вертушку сверху чем эта вертушка интересно у нее заостренные концы присоединяем проводник и сообщаем заряд вертушки вы видите что она начинает вращаться получается потому что со стороны ac3 вертушки на воздух действовать сила но по третьему закону ньютона на концы вертушки на иглы на острия действует реактивная сила направлена в противоположную в сторону вертушка начинает вращаться и последнее давайте убедимся в том что поток воздуха который отклоняют пламя свечи и вызывает вращение вот такой вертушки она кстати называется колесо франклина франклин тот самый который исследовал электростатические явления которые доказал что гроза это электрическое явление давайте убедимся в том что поток воздуха действительно ионизированы для этого воспользуемся следующим приемом подставим вот электро статическую под иглу который мы будем заряжать электростатическая машиной электрон это вот так электрон это будет находиться на некотором расстоянии прикасаться к его шарм мы не будем я поверну электроники так чтобы было хорошо видно вот таким образом игла находится неподалеку но не прикасается к электролитам и присоединим иглу к электро формой машине к кондуктору электро форме машины начинаем вращать вы видите что электрон и тр зарядился следовательно с конца иглы не просто движется поток воздуха а движется поток ионизированного газа то есть ионы ветер действительно представляет собой поток ионов идем дальше еще один важный факт который мы должны знать возле поверхности проводника силовые линии всегда перпендикулярны к поверхности запишите пожалуйста возле поверхности проводника силовые линии всегда перпендикулярной поверхности возле поверхности проводника силовые линии всегда перпендикулярной поверхности давайте докажем этот факт методом от противного предположим обратно и предположим что у поверхности проводника силовой линии не перпендикулярной поверхности вот поверхность проводника и допустим что вектор напряженности поля направлен под некоторым углом то есть силовая линия не перпендикулярно поверхности проводника это вектор и вектор напряженности поля разложим этот вектор на две взаимно перпендикулярные составляющая одна из них перпендикулярно поверхности проводника а вторая направлена по касательной к поверхности проводника вот это вектор который мы обозначили перпендикулярная это составляющая напряженности поля перпендикулярная поверхности проводника а вот поле е параллельная составляющие поля касательная к поверхности проводника параллельная поверхности проводника в проводнике имеются свободные заряды для простоты будем считать что это положительные заряды как они себя поведут если ситуация так как пока такого как показано на рисунке на них будет действовать электрическая сила со стороны составляющей вектора я параллельная эта сила будет направлена вдоль поверхности проводника понятно что с этой стороны будут направлена вот эта сила но нас интересует именно касательная составляющая под действием этой силы носители заряда тут же придут в движение и будут перемещаться туда куда направлен вектор я параллельно если это положительный заряд есть это электроны они будут в противоположную сторону двигаться так или иначе они своим присутствием тоже ведь создает электрическое поле и справа их станет больше значит поле которое создается этими зарядами находящимися справа будет направлена влево от положительных зарядов и будет компенсировать поле и параллельны и это будет продолжаться до тех пор пока это поле не исчезнет и вектор очень быстро повернется и станет перпендикулярен поверхности проводника и последнее давайте представим себя как ведет себя проводник находящиеся во внешнем электрическом поле исходя из того что мы уже знаем и для интереса допустим что проводник внутри пустой вот какой-то проводника а внутри он пустой снаружи создана электрическое поле электростатическое поле допустим когда проводника не было он это поле было направлено слева направо теперь мы вносим проводник вот такой вот сферической формы под действием внешнего поля которая направлена слева направо напишем так я нулевое положительные заряды будут скапливаться здесь отрицательные заряды будут скапливаться здесь если это металл то что будет происходить электроны будут отсюда уходить влево и в результате здесь не скомпенсированы заряд ионов кристаллической решетки создаст положительно заряженную область а здесь отрицательно заряженный область электронов на отрицательных зарядов заканчиваются электрического поля то есть присутствие вот этого деле африка приведет вот к такому перераспределению поле это поле представляет собой результат сложения внешнего поля и поля индуцированных зарядов здесь поле может как-то силовой линии может как-то вот так проходить а здесь вот так а внутри проводника напряженность поля равняется нулю она равна нулю и здесь и в полости росстат то если мы сюда поместим чувствительные измерительные приборы которые реагируют на малейшие электрическое поле то даже если снаружи электрическое поле будет иметь большую напряженность то внутри будет спокойно в электрическом смысле электрическое поле здесь будет отсутствовать на этом принципе работает электростатическая защита электростатическая защита корпуса чувствительных приборов всегда делают металлическими более того оказывается что сам проводник не обязательно должен быть сплошным сам проводник может быть сетчатым это так называемая сетка фарадей сетка фарадея кстати обратите внимание на мой рисунок силовые линии везде я показал перпендикулярно поверхности проводника сетка фарадея позволяет защитить все что вы хотите защитить вот действия электрического поля и идея сетки фарады используется в очень впечатляющих аттракционах которые называют электрическое шоу или электрический театр человека помещают внутрь клетки металлической то есть внутрь сетки фарадея и создают вокруг этой сетки грандиозное электрическое поле давайте посмотрим на фотографии которые изображают эту ситуацию вот пожалуйста электрический театр здесь посередине клетка с двумя испытуемыми они чувствуют себя прекрасно несмотря на то что снаружи электрическое поле настолько сильная что не выдерживает даже воздух воздух пробивается становится проводником если напряженность поля в нем превышает 30 тысяч вольт на сантиметр в этом случае возникает так называемый пробой вот давайте еще посмотрим на несколько фотографий таких театров электрических женщина находится в металлической клетке за сеткой и напряженность поля вокруг огромна так что воздух не выдерживает проскакивают искры а женщина себя чувствует очень хорошо единственное на что следует обратить внимание то что она в наушниках на самом деле это не наушники это просто защита слуха от ударных волн которые возникают при вот таком вот искровом разряде при мощном разряде оказывается что можно даже сделать костюм из металлической сетки и при этом человек остается невредимым несмотря на то что вокруг него бушует электрическая буря все это возможно благодаря знанию свойств проводника в электрическом поле давайте сейчас сделаем перерыв и в час дня поговорим о том как диэлектрики будут вести себя в электростатическом поле и так перерыв