Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Среди опытов по электростатике обращает на себя внимание целая серия не совсем обычных явлений. Среди них такие:

Рис. 1
если к металлической пластине, укрепленной на стержне электрометра, поднести наэлектризованную эбонитовую палочку, то стрелка электрометра отклоняется, как в случае сообщения ей заряда
Рис. 2
если на стержне электрометра укрепить пластину из диэлектрика и наэлектризовать ее, то стрелка электрометра отклонится на некоторый угол
Рис. 3
при поднесении к наэлектризованной пластине другой, ненаэлектризованной пластины из диэлектрика, угол отклонения стрелки электрометра становится меньше, как если бы заряд на закрепленной пластине уменьшился

Когда речь идет об электрическом взаимодействии, говорят, что этот вид взаимодействия осуществляется между заряженными телами, причем таким образом, что одноименно заряженные тела отталкиваются друг от друга, а разноименно заряженные притягиваются друг к другу.

Рис. 4

Но уже первые наблюдения электростатических взаимодействий показывают, что к наэлектризованным телам притягиваются и тела, не имеющие электрического заряда. При этом неважно, из какого материала они изготовлены – из проводника или из диэлектрика.

Все эти опытные данные можно объяснить, исходя из следующих соображений.

Во-первых, названные явления протекают в электрических полях, созданных наэлектризованными телами.

Во-вторых, ведут себя тела так, как если бы на них появлялись или изменялись электрические заряды.

Возникает вопрос: откуда могут взяться на телах заряды, если эти тела не соприкасаются ни с какими другими телами?

Ответ очевиден: ниоткуда. Вероятно, под действием внешнего электрического поля что-то происходит с теми зарядами, которые имеются в любом теле. Можно предположить, что эти заряды перераспределяются внутри тела, создавая свое внутреннее электрическое поле.

Тогда, в результате сложения внутреннего и внешнего полей, возникает результирующее поле, отличное от первоначального значения внешнего поля.

Рис. 5

Конкретно, этот механизм может выглядеть так. В проводниках имеются свободные заряды. В металлах – это электроны. В электрическом поле электроны, в силу своей легкоподвижности, будут двигаться до тех пор, пока не сравняются напряженности внешнего поля и поля заряженных частиц. Следовательно, следует ожидать, что внутри металла, или в области, ограниченной металлическим проводником, результирующее электрическое поле будет равно нулю.

Рис. 6

Это предположение проверяется экспериментально.

Если в электрическое поле поместить частички, способные в нем двигаться, то частички начнут перемещаться вдоль линий напряженности.

Ограничив некоторую область пространства, содержащую частички, металлическим кольцом, можно наблюдать, что движение частиц полностью прекращается.

Проводники действительно обладают экранирующим действиием по отношению к электрическому полю.

Рис. 7

Несколько иначе должны обстоять дела с диэлектриками, попавшими в электрическое поле, поскольку в них нет свободных заряженных частиц. Здесь механизм возникновения внутреннего поля может отличаться для диэлектриков, состоящих из полярных и неполярных молекул.

Если молекулы представляют собой образования со смещенными относительно их центров положительными и отрицательными зарядами, то во внешнем поле такие молекулы могут поворачиваться.

Если у молекул центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, то они во внешнем поле могут деформироваться.

Рис. 8
Рис. 9

В обоих случаях внутри диэлектрика должно возникать поле, ослабляющее то поле, которое вызвало названные процессы.

Если в опыте с частичками, движущимися в электрическом поле, ограничить некоторую область пространства кольцом из диэлектрика, то можно наблюдать, что интенсивность движения частиц в этой области несколько уменьшается.

Кроме того, проведя подобные рассуждения, можно предсказать результат еще одного опыта.

Рис. 10

Если к висящей на нити объемной гильзе, изготовленной из металлической фольги, поднести заряженную, например, положительно, палочку, то гильза должна к палочке притянуться, так как электроны в поле, созданном палочкой, соберутся на том конце гильзы, который находится ближе к палочке.

Рис. 11

После соприкосновения тел, часть электронов с гильзы перейдет на палочку. Гильза, став положительно заряженной, оттолкнется от палочки.

Но если палочку поднести очень близко к гильзе, то может наступить момент, когда сила притяжения оставшихся в гильзе отрицательных зарядов станет больше силы отталкивания положительных зарядов, так как последние должны находиться в гильзе на большем расстоянии от палочки, чем отрицательные заряды.

Эти предположения успешно подтверждаются экспериментально.

В целом, совпадение умозаключений с опытными данными говорит о правомерности рассуждений о поведении проводников и диэлектриков в электрическом поле.