44. ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Свободные заряды. В проводниках, к которым в первую очередь относятся металлы, имеются заряженные частицы, способные перемещаться внутри проводника под влиянием электрического поля. По этой причине заряды этих частиц называют свободными зарядами.
В металлах носителями свободных зарядов являются электроны. При образовании металла из нейтральных атомов атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому взаимодействию электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со «своими» атомами и становятся «собственностью» всего проводника в целом. В результате положительно заряженные ионы оказываются окруженными отрицательно заряженным «газом», образованным коллективизированными электронами (рис. 108). Свободные электроны участвуют в тепловом движении, подобно молекулам газа, и могут перемещаться по куску металла в любом направлении.
Электростатическое поле внутри проводника. Наличие в проводнике свободных зарядов приводит к тому, что внутри проводника электростатическое поле равно нулю. Если бы напряженность электрического поля была отлична от нуля,
Рис. 108
то поле приводило бы свободные заряды в упорядоченное движение, т. е. в проводнике существовал бы электрический ток. Утверждение об отсутствии электрического поля внутри проводника в равной мере справедливо как для заряженного проводника, так и для незаряженного, помещенного во внешнее электростатическое поле.
На примере незаряженной пластины, внесенной в однородное поле (рис. 109), выясним, в результате какого процесса напряженность электростатического поля внутри проводника оказывается равной нулю. Под действием электрического поля электроны пластины начинают перемещаться справа налево. В первый момент (при внесении проводника в поле) возникает электрический ток. Левая часть пластины заряжается отрицательно, а правая — положительно. В этом состоит явление электростатической индукции. (Если разделить пластину пополам вдоль линии MN, то обе половины окажутся заряженными.) Появившиеся заряды создают свое поле (линии напряженности этого поля показаны на рисунке 110 пунктирными прямыми), которое накладывается на внешнее поле и компенсирует его. За ничтожно малое время заряды перераспределяются так, что напряженность результирующего поля внутри пластины становится равной нулю и движение зарядов прекращается. В противном случае в проводнике все время протекал бы ток и выделялась теплота. Но согласно закону сохранения энергии это невозможно.
Итак, электростатического поля внутри проводника нет. На этом основана так называемая электростатическая
Рис. 109
Рис. 110
Рис. 111
защита. Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их заключают в металлические ящики.
Силовые линии электростатического поля вне проводника перпендикулярны его поверхности. Если бы это было не так, то имелась бы составляющая напряженности поля вдоль поверхности проводника и по поверхности протекал бы электрический ток.
Электрический заряд проводников. В случае равновесия зарядов не только напряженность поля внутри проводника равна нулю, равен нулю и заряд. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. В самом деле, если бы внутри проводника имелся заряд, то вблизи заряда имелось бы и поле. Но электростатического поля внутри проводника нет. Следовательно, заряды в проводнике могут располагаться только на его поверхности.
Отсутствие заряда внутри проводника можно обнаружить с помощью простых опытов, например опыта с цилиндром из проволочной сеткр (рис. III). На поверхности цилиндра наклеены легкие листочки станиоля. Внутри цилиндра на проводящем подвижном стержне укреплены еще два листочка. Если сообщить цилиндру заряд, например, от электростатической машины, листочки отклоняются на некоторый угол, так как перетекший на них заряд будет отталкиваться от одноименного заряда цилиндра или соседнего листочка. Но если листочки на стержне ввести внутрь цилиндра, то они не отклонятся, так как заряд на них равен нулю.
