Провідники в електростатичному полі

1-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

1. Електричне поле

УРОК 6/6

Тема. Провідники в електростатичному полі

Мета уроку: навчити учнів пояснювати з погляду електронної теорії явища, що відбуваються в провідниках, поміщених в електричне поле.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

Демонстрації	6 хв.	1. Електростатична індукція. 2. Екранувальна дія провідників. 3. Відео-фрагмент: “Провідники в електричному полі”
Вивчення нового матеріалу	27 хв.	1. Особливості внутрішньої будови провідників. 2. Електростатичні властивості провідників. 3. Застосування електростатичних властивостей провідників
Закріплення вивченого матеріалу	12 хв.	1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Особливості внутрішньої будови провідників

Будь-яка речовина складається з молекул, атомів або іонів, які, у свою чергу, містять заряджені частинки. Тому, якщо тіло помістити в електричне поле, це зумовить певні

зміни в речовині, з якої виготовлено тіло.

За електричними властивостями речовина ділиться на провідники, діелектрики й напівпровідники.

O Провідниками називають речовини, здатні проводити електричний струм.

У провідниках є заряджені частинки, які можуть вільно переміщатися в речовині.

Кращі провідники – це метали. Справа в тому, що в атомах металів зовнішні електрони слабко пов’язані зі своїми атомами й тому легко відриваються від них і “усуспільнюються”, стаючи власністю всього шматка металу загалом.

Провідниками є також розчини солей (наприклад, кам’яної солі). У цьому випадку роль вільних зарядів відіграють позитивно й негативно заряджені іони.

2. Електростатичні властивості провідників

Властивість 1. Напруженість електростатичного поля усередині провідника дорівнює нулю.

Помістимо провідник в електростатичне поле. Під дією електричних сил рух вільних електронів стане напрямленим. Певна ділянка на поверхні провідника набуває негативного заряду, а протилежна – позитивного.

Таким чином, на поверхні провідника з’являються наведені (індуковані) електричні заряди, при цьому сумарний заряд провідника залишається незмінним. Описане явище називається електростатичною індукцією.

O Електростатична індукція – це явище перерозподілу електричних зарядів у провіднику, поміщеному в електростатичне поле, у результаті чого на поверхні провідника виникають електричні заряди.

Індуковані заряди, що виникають, створюють своє електричне поле напруженістю ‘, напрямлене у бік, протилежний напруженості 0 зовнішнього поля. Процес перерозподілу зарядів у провіднику буде тривати доти, поки створюване індукованими зарядами поле усередині провідника повністю компенсує зовнішнє поле. Напруженість = 0 + ‘ результуючого поля усередині провідника дорівнює нулю.

Властивість 2. Поверхня провідника є еквіпотенціальною.

Це твердження є наслідком співвідношення між напруженістю поля й різницею потенціалів:

Якщо напруженість поля усередині провідника дорівнює нулю, то різниця потенціалів також дорівнює нулю, тому потенціали у всіх точках провідника однакові, тобто поверхня провідника є еквіпотенціальною.

Властивість 3. Весь статичний заряд провідника сконцентрований на його поверхні.

Ця властивість є наслідком закону Кулона й властивості однойменних зарядів відштовхуватися.

Властивість 4. Вектор напруженості електростатичного поля провідника напрямлений перпендикулярно до його поверхні.

Припустімо, що в деякій точці поверхні провідника вектор напруженості електростатичного поля спрямований під кутом до поверхні провідника. Розкладемо цей вектор на дві складові: нормальна N, перпендикулярна до поверхні, і тангенціальна , напрямлена по дотичній до поверхні.

Під дією електрони будуть напрямлено рухатися по поверхні, але це не означає, що по поверхні провідника протікає струм, а це, у свою чергу, суперечить електростатичності. Отже, у випадку рівноваги зарядів: = 0, а = N.

Властивість 5. Електричні заряди розподіляються на поверхні провідника так, що напруженість електростатичного поля провідника виявляється більшою на виступах провідника й меншою на його западинах.

Розглянемо провідник неправильної форми. Будь-яке заряджене тіло на великих відстанях від нього можна вважати точковим зарядом, еквіпотенціальні поверхні якого мають вигляд концентричних сфер. Таким чином, у міру видалення від провідника еквіпотенціальні поверхні поблизу провідника, що повторюють форму його поверхні, повинні поступово й плавно набувати вигляду сфери. Але це можливо тільки в тому випадку, якщо еквіпотенціальні поверхні будуть згущені біля виступів провідника й розріджені біля западин.

Там, де еквіпотенціальні поверхні розташовані густіше, напруженість поля, перпендикулярна до поверхні провідника, більша, а там, де розташовані рідше, – напруженість поля менша.

3. Застосування електростатичних властивостей провідників

Електростатичний захист. Відсутність електричного поля й зарядів усередині провідника використовують для створення так званого електростатичного захисту. Оскільки заряди на провіднику розташовуються на його поверхні, розподіл зарядів буде однаковим для суцільного й порожнього провідників – наприклад, для кулі й сфери такого ж радіуса. Отже, поле усередині провідної сфери або будь-якої іншої замкнутої області, оточеної провідником, дорівнює нулю. Тому чутливі до електричного поля прилади розміщують у металеві ящики.

Електростатичний захист використовують і для того, щоб захистити людей, які працюють із пристроями, що перебувають у сильному електричному полі: у такому випадку металевою сіткою оточують простір, у якому перебувають працівники.

Заземлення. Щоб розрядити невелике тіло, його необхідно з’єднати провідником із тілом великих розмірів, адже на тілі значних розмірів накопичується потужний електричний заряд. Отже, якщо одна із заряджених куль значно більша за іншу, то після їх з’єднання практично весь заряд опиниться на більшій кулі. Цей висновок справедливий і для провідних тіл довільної форми.

Часто як тіло значних розмірів використовують всю земну кулю: прилади, на яких не повинен збиратися електричний заряд, “заземлюють” – приєднують до масивного провідника, закопаного в землю. Уважають, що потенціал заземленого тіла дорівнює нулю.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Що таке “вільні заряди”? У яких речовинах вони є?

2. Звідки беруться вільні заряди усередині металевого провідника?

3. Чому дорівнює напруженість електричного поля усередині ізольованого провідника під час рівноваги вільних зарядів?

4. Приклади використання електростатичного захисту.

5. Навіщо застосовують заземлення?

Другий рівень

1. Чому під час рівноваги вільних зарядів напруженість електричного поля усередині ізольованого провідника дорівнює нулю?

2. За рахунок якої енергії відбувається поділ електричних зарядів під час електростатичної індукції?

3. Чому усередині провідника всі точки мають однаковий потенціал?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чи можуть притягуватися однойменно заряджені тіла? Розв’язання. Можуть, якщо вони розташовані на незначній відстані й заряд одного тіла набагато перевищує заряд другого.

2. До кондуктора зарядженого електрометра підносять (не торкаючись його) незаряджене провідне тіло. Як і чому змінюється відхилення стрілки електрометра?

3. Як за допомогою негативно зарядженої металевої кульки й не зменшуючи її заряду, негативно зарядити інша таку саму кульку?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. Смужка з алюмінієвої фольги лежить на дерев’яному столі. До її краю підносять заряджену ебонітову паличку. Як зміниться сила взаємодії між смужкою й паличкою, якщо смужку вкоротити?

2. Дві металеві кулі підвішені на діелектричних нитках так, що торкаються одна одної. Як можна передати їм електричний заряд, не торкаючись кожної з кульок?

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Провідниками називають речовини, здатні проводити електричний струм.

– Провідник, поміщений в електростатичне поле, має такі властивості: напруженість поля усередині провідника дорівнює нулю; поверхня провідника є еквіпотенціальною; весь статичний заряд провідника зосереджений тільки на його поверхні; вектор напруженості електростатичного поля провідника напрямлений перпендикулярно до його поверхні; електричні заряди розподіляються на поверхні провідника так, що напруженість поля провідника виявляється більшою на виступах провідника й меншою на його западинах.

– Електростатична індукція – це явище перерозподілу електричних зарядів у провіднику, поміщеному в електростатичне поле, внаслідок чого на поверхні провідника виникають електричні заряди.

– Електростатичний захист: будь-який об’єкт можна захистити від дії електростатичного поля, помістивши його всередину замкнутої провідної (найчастіше металевої) оболонки.

Домашнє завдання

1. Підр-1: § 5; підр-2: § 2 (п. 1).

2. Зб.:

Рів1 № 2.6; 2.20; 2.21; 2.22.

Рів2 № 2.23; 2.24; 2.26; 2.28.

Рів3 № 2.45, 2.50; 2.51; 2.57.