§ 22-1. Праваднікі ў электрастатычным полі

Праваднікі ў электрастатычным полі. У металах свабоднымі зараджанымі часціцамі з'яўляюцца электроны. Гэта абумоўлена тым, што электроны, якія знаходзяцца на знешніх абалонках атамаў, страчваюць сувязі са сваімі атамамі і могуць адносна свабодна перамяшчацца па ўсім аб’ёме металу.

Высветлім, што адбываецца ў аднародным металічным правадніку, калі яго ўнесці ў электрастатычнае поле. Для гэтага змесцім металічны праваднік А ў электрастатычнае поле, створанае дзвюма зараджанымі пласцінамі В і С (мал. 118.2). Напружанасць  гэтага поля накіравана ад дадатна зараджанай пласціны В да адмоўна зараджанай пласціны С. Пад дзеяннем электрычных сіл свабодныя электроны нароўні з бесперапынным цеплавым рухам пачнуць рухацца ўпарадкавана. Яны будуць збірацца злева каля паверхні правадніка А, ствараючы там залішні адмоўны зарад. Недахоп электронаў на правым баку правадніка прывядзе да ўзнікнення на ім залішняга дадатнага зараду.

Пераразмеркаваныя зарады ствараюць уласнае электрычнае поле . Лініі напружанасці гэтага поля ў правадніку накіраваны ў бок, супрацьлеглы лініям напружанасці знешняга поля . Упарадкаванае перамяшчэнне свабодных электронаў у правадніку спыніцца, калі ўласнае поле  скампенсуе знешняе . У гэтым выпадку напружанасць рэзультуючага поля ўнутры правадніка стане роўнай нулю, гэта значыць электрастатычнае поле ў правадніку знікне.

Такім чынам, электрастатычнае поле ўнутры правадніка адсутнічае. А значыць, праваднік — адна з мадэлей, што выкарыстоўваюцца ў электрастатыцы для апісання аднароднага цела, унутры якога напружанасць электрастатычнага поля роўная нуля.

Сумарны зарад любой унутранай часткі правадніка роўны нулю і не ўплывае на размеркаванне зарадаў на яго паверхні і на напружанасць поля ўнутры правадніка. На гэтай уласцівасці праваднікоў заснавана электрастатычная ахова. Каб засцерагчы адчувальныя да электрычнага поля прыборы, іх змяшчаюць унутр заземленых полых праваднікоў з суцэльнымі або сеткаватымі сценкамі. Часцей, аднак, экрануюць не прыборы, а саму крыніцу электрычнага поля, ад непажаданага ўздзеяння якога неабходна засцерагчы размешчаныя паблізу прылады.

Ад тэорыі да практыкі

На малюнку 118.3 паказана папярэчнае сячэнне полай праводнай прызмы. Прызма зараджана адмоўна. У якой частцы — А, В або С — напружанасць электрастатычнага поля не роўная нулю?

Вынікам таго, што напружанасць электрастатычнага поля ўнутры аднароднага правадніка роўная нулю, з'яўляецца тое, што патэнцыял усіх пунктаў правадніка аднолькавы. На самай справе, калі напружанасць поля роўная нулю, то рознасць патэнцыялаў паміж любымі двума пунктамі правадніка роўная нулю. Таму можна гаварыць пра патэнцыял правадніка, не паказваючы канкрэтны пункт, у якім ён вызначаны.

Электрастатычная індукцыя. У адпаведнасці з законам захавання электрычнага зараду модулі залішніх зарадаў, якія ўзнікаюць на супрацьлеглых паверхнях першапачаткова незараджанага правадніка пры ўнясенні яго ў электрастатычнае поле, павінны быць аднолькавымі. Праверым гэта з дапамогай доследу.

Замацуем на неправодных стрыжнях два шчыльна прылеглыя металічныя цыліндры А і В з прымацаванымі да іх лісткамі тонкай паперы. Змесцім цылінды ў электрастатычнае поле дадатна зараджанага шара (мал. 118.4, а). Лісткі паперы разыдуцца, што сведчыць пра з'яўленне зарадаў на цыліндрах. Свабодныя электроны пад дзеяннем поля, створанага зарадам шара, перамесцяцца з цыліндра В на цыліндр А, зарадзіўшы яго адмоўна. Цыліндр В з-за недахопу электронаў стане дадатна зараджаным.

Электрастатычная індукцыя, або электрызацыя праз уплыў, — з’ява, пры якой на паверхні правадніка (у дадзеным выпадку на паверхні злучаных цыліндраў), змешчанага ў электрастатычнае поле, з'яўляюцца электрычныя зарады. Электрычныя зарады, якія ўзнікаюць у выніку электрастатычнай індукцыі, называюць індуцыраванымі.

Калі зараджаны шар прыбраць, то вугал разыходжання лісткоў паперы зменшыцца да нуля. Гэта можна растлумачыць тым, што пры адсутнасці электрастатычнага поля, створанага зарадам шара, электроны раўнамерна размяркоўваюцца па ўсім аб’ёме абодвух цыліндраў.

Пры раз'яднанні цыліндраў у полі зараджанага шара на іх застануцца супрацьлеглыя па знаку зарады (мал. 118.4, б), модулі якіх роўныя. Гэтыя зарады захаваюцца і ў тым выпадку, калі зараджаны шар, які стварае поле, прыбраць (мал. 118.4, в). Толькі ў гэтым выпадку зарады будуць каля суседніх асноў цыліндраў. У тым, што модулі зарадаў абодвух цыліндраў роўныя, можна пераканацца, злучыўшы іх (мал. 119.4, г): вугал паміж лісткамі стане роўны нулю.

Размеркаванне зарадаў у правадніку. Высветлім, як размяркоўваюцца зарады ў наэлектрызаваным правадніку. Правядзём дослед. Нададзім правадніку электрычны зарад. Маленькім шарыкам на ізалявальнай ручцы будзем дакранацца да розных пунктаў на знешняй паверхні зараджанага полага металічнага шара, а потым электрометра (мал. 118.5, а). Адзначаючы кожны раз вугал адхілення стрэлкі электрометра, можна пераканацца, што на знешняй паверхні шара зарад размяркоўваецца раўнамерна. Калі ж дакрануцца маленькім шарыкам да ўнутранай паверхні зараджанага полага шара, а затым да электрометра, то стрэлка электрометра не адхіліцца (мал. 118.5, б). Такім чынам, на ўнутранай паверхні шара залішняга зараду няма, гэта значыць зарады, нададзеныя правадніку, размяшчаюцца на яго знешняй паверхні.

Цікава ведаць

Зарадзім праваднік стрэлападобнай формы дадатным зарадам. Найбольшы зарад, што прыпадае на невялікія ўчасткі паверхні аднолькавай плошчы, знаходзіцца на выпукласцях правадніка, асабліва на вострых выступах. На малюнку 118.6 штрыхавой лініяй для нагляднасці паказана размеркаванне модуля напружанасці поля каля паверхні зараджанага правадніка стрэлападобнай формы. Напружанасць электрастатычнага поля паблізу вострых выступаў зараджанага правадніка можа быць настолькі вялікай, што пачнецца іанізацыя малекул газаў, якія ўваходзяць у састаў паветра, у выніку чаго з'явяцца дадатныя і адмоўныя іоны і электроны. Зараджаныя часціцы з тым жа знакам зараду, што і на вастрыі, рухаюцца ад яго, зацягваючы нейтральныя малекулы. З прычыны гэтага ўзнікае накіраваны рух паветра каля вастрыя, або, як кажуць, электрычны вецер. Яго можна выявіць, калі паднесці да вастрыя запаленую свечку: яе полымя адхіліцца ў бок ад вастрыя і нават можа патухнуць.

З'яву сцякання зарадаў з завостраных праваднікоў трэба ўлічваць у тэхніцы. Каб прадухіліць сцяканне зарадаў ва ўсіх прыборах і механізмах, якія выкарыстоўваюцца ў высакавольтных сістэмах, металічныя часткі робяць закругленымі, а канцы металічных стрыжняў забяспечваюць гладкімі наканечнікамі.

1. Што адбываецца ў аднародным металічным правадніку пры ўнясенні яго ў электрастатычнае поле?

2. На якой уласцівасці праваднікоў заснавана электрастатычная ахова?

3. У чым заключаецца з'ява электрастатычнай індукцыі?

4. Растлумачце доследы з двума металічнымі цыліндрамі, змешчанымі ў электрастатычнае поле (гл. мал. 118.4, а, б, в, г).

5. Чаму роўная сіла, якая дзейнічае на пунктавы зарад, калі яго змясціць у цэнтр раўнамерна зараджанай сферы? у любы іншы пункт унутры гэтай сферы?