Можно ли объяснить отсутствие зарядов внутри проводника тем что одноименные заряды отталкиваются
Можно ли объяснить отсутствие зарядов внутри проводника тем что одноименные заряды отталкиваются
Проводники это тела, в которых электрические заряды способны перемещаться под действием сколь угодно слабого электростатического поля, что приводит к появлению поля внутри проводника, равного и противоположного внешнему. Вследствие этого сообщённый проводнику заряд будет перераспределяться до тех пор, пока в любой точке внутри проводника напряженность электрического поля не станет равной нулю.
Таким образом, напряженность электрического поля внутри проводника всегда будет равна нулю.
Распределение зарядов по поверхности
E = dϕ/dr → dϕ/dr = 0 → ϕ = const [1]
Так как напряжённость внутри проводника равна нулю (Е = 0), то потенциал внутри проводника постоянен.
На поверхности заряженного проводника вектор напряженности Е должен быть направлен перпендикулярно к этой поверхности, иначе под действием составляющей, касательной к поверхности (Et), заряды перемещались бы по поверхности проводника.
Таким образом, при условии статического распределения зарядов, напряженность на поверхности:
где En — нормальная составляющая напряженности,
Et — составляющая напряженности, направленная касательно к поверхности.
Из равенств [1] и [2] следует, что при равновесии зарядов поверхность проводника является эквипотенциальной.
Таким образом, в состоянии равновесия внутри проводника избыточных зарядов нет.
Поэтому если мы удалим вещество из некоторого объёма, взятого внутри проводника, это никак не отразится на равновесном расположении зарядов. Таким образом, избыточный заряд распределяется на полом проводнике так же, как и на сплошном, т.е. по его наружной поверхности. На внутренней поверхности избыточные заряды располагаться не могут.
Если поместить на внутреннюю поверхность полого проводника электрический заряд, то этот заряд будет вытолкнут на наружную поверхность проводника, повышая потенциал последнего. Многократно повторяя передачу полому проводнику можно значительно повысить его потенциал до величины, ограничиваемой явлением стекания зарядов с проводника. Этот принцип был использован Ван-дер-Граафом для построения электростатического генератора, позже названного его именем. В этом устройстве заряд от электростатической машины передаётся бесконечной непроводящей ленте, переносящий его внутрь большой металлической сферы. Там заряд снимается и переходит на наружную поверхность проводника, таким образом, удаётся постепенно сообщить сфере очень большой заряд и достигнуть разности потенциалов в несколько миллионов вольт.
Проводники во внешнем электрическом поле.
Перемещение зарядов в проводнике помещённом во внешнее электрическое поле Е0 будет происходить до тех пор, пока создаваемое индукционными зарядами дополнительное поле Едоп. не скомпенсирует внешнее поле Е0 во всех точках внутри проводника и результирующее поле Е внутри проводника станет равным нулю.
Суммарное поле Е вблизи проводника будет заметно отличаться от своего первоначального значения Е0. Линии Е будут перпендикулярны к поверхности проводника и будут частично кончаться на индуцированных отрицательных зарядах и вновь начинаться на индуцированных положительных зарядах.
Отсутствие поля внутри проводника, помещённого в электрическое поле, широко применяется в технике для электростатической защиты от внешних электрических полей (экранировки) разных электрических приборов и проводов. Когда какой-то прибор хотят защитить от воздействия внешних полей, его окружают проводящим футляром (экраном).
Электростатика. Взаимодействие зарядов. Два вида электрических зарядов.
Простые опыты по электризации различных тел иллюстрируют следующие положения.
1. Существуют заряды двух видов: положительные (+) и отрицательные (-). Положительный заряд возникает при трении стекла о кожу или шелк, а отрицательный — при трении янтаря (или эбонита) о шерсть.
2. Заряды (или заряженные тела) взаимодействуют друг с другом. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные заряды притягиваются.
3. Состояние электризации можно передать от одного тела к другому, что связано с переносом электрического заряда. При этом телу можно передать больший или меньший заряд, т. е. заряд имеет величину. При электризации трением заряд приобретают оба тела, причем одно — положительный, а другое — отрицательный. Следует подчеркнуть, что абсолютные величины зарядов наэлектризованных трением тел равны, что подтверждается многочисленными измерениями зарядов с помощью электрометров.
Элементарный электрический заряд (е) — это наименьший электрический заряд, положительный или отрицательный, равный величине заряда электрона:
Заряженных элементарных частиц существует много, и почти все они обладают зарядом +e или -e, однако эти частицы весьма недолговечны. Они живут меньше миллионной доли секунды. Только электроны и протоны существуют в свободном состоянии неограниченно долго.
Протоны и нейтроны (нуклоны) составляют положительно заряженное ядро атома, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, число которых равно числу протонов, так что атом в целом электроцентралей.
В обычных условиях тела, состоящие из атомов (или молекул), электрически нейтральны. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний. Но если тела после трения разъединить, то они окажутся заряженными; тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое их приобрело, — отрицательно.
Итак, тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они теряют или приобретают электроны. В некоторых случаях электризация обусловлена перемещением ионов. Новые электрические заряды при этом не возникают. Происходит лишь разделение имеющихся зарядов между электризующимися телами: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.
Определение заряда.
Следует особо подчеркнуть, что заряд является неотъемлемым свойством частицы. Частицу без заряда представить себе можно, но заряд без частицы — нельзя.
Проявляют себя заряженные частицы в притяжении (разноименные заряды) либо в отталкивании (одноименные заряды) с силами, на много порядков превышающими гравитационные. Так, сила электрического притяжения электрона к ядру в атоме водорода в 10 39 раз больше силы гравитационного притяжения этих частиц. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным взаимодействием, а электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.
В современной физике так определяют заряд:
Электрический заряд — это физическая величина, являющаяся источником электрического поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих зарядом.
Билет №15. Электризация тел. Два вида электрических зарядов. Взаимодействие зарядов. Закон сохранения электрического заряда
Определение
Электризацией называется процесс разделения электрических зарядов и накопление их в определенных местах предметов и тел. Явление происходит в результате трения, соприкосновения тел или в результате электростатической индукции. Простыми словами, когда рядом расположен какой-то предмет, обладающий электрическим полем.
: в физике выделяют два рода зарядов – положительные и отрицательные, или протоны и электроны. Между ними возникает электрическое поле. Одноименные заряды притягиваются, а разноименные отталкиваются.
Явление наблюдается на источниках питания и не только. На диэлектриках накапливаются заряды, все видели это в опытах, иллюстрирующих явление с эбонитовыми и стеклянными палочками, которые демонстрировали на уроках физики в школе.
Изначально все атомы, из них состоит всё что нас окружает, электрически нейтральны. В результате явления электризации на поверхности предметов появляются положительные или отрицательные заряды. Напомним школьный опыт: если потереть эбонитовую палочку шерстяной тканью, после прекращения трения палочка останется заряженной. Тогда говорят, что тело электризовано.
Таким образом, во время трения электроны переходили с одного предмета на другой. В результате, после прекращения трения избыточные электроны остались «не на своих» телах и получился избыточный заряд, и оно перестало быть нейтральным. В результате трения палочки о шерсть или мех на её поверхности образовался отрицательный заряд.
Статическое электричество в быту
Пенопластовые шарики прилипли к кошачьей шерсти из-за статического электричества
Статическое электричество широко распространено в обыденной жизни. Если, например, на полу лежит ковер из шерсти, то при трении об него человеческое тело может получить отрицательный электрический заряд, в то время как ковёр получит положительный. Другим примером может служить электризация пластиковой расчески, которая после причёсывания получает минус-заряд, а волосы получают плюс-заряд. Накопителем минус-заряда нередко являются полиэтиленовые пакеты, полистироловый пенопласт. Накопителем плюс-заряда может являться сухая полиуретановая монтажная пена, если её сжать рукой.
Электростатический разряд происходит при очень высоком напряжении и чрезвычайно низких токах. Даже простое расчёсывание волос в сухой день может привести к накоплению статического заряда с напряжением в десятки тысяч вольт, однако ток его освобождения будет настолько мал, что его зачастую невозможно будет даже почувствовать. Именно низкие значения тока не дают статическому заряду нанести человеку вред, когда происходит мгновенный разряд.[2]
С другой стороны, такие напряжения могут быть опасны для элементов различных электронных приборов — микропроцессоров, транзисторов и т. п. Поэтому при работе с радиоэлектронными компонентами рекомендуется принимать меры по предотвращению накопления статического заряда.
Условия возникновения явления и способы передачи зарядов
Мы рассказали, как объясняется это явление в природе, а теперь давайте рассмотрим, как можно наэлектризовать тела. Сразу отметим, что выполнение всех условий необязательно – электризация может происходить по тем или иным причинам, разделим их на две основных группы:
Вторая группа — электризация влиянием, то есть явление наблюдается при воздействии на тело внешних сил, среди которых:
Это и есть основные виды электризации.
Три способа электризации тел
Электрически нейтральное тело можно наэлектризовать разными способами:
Электризация трением
Электризация трением происходит, когда вы трёте один предмет о другой.
Проведите эксперимент. Возьмите небольшой лист бумаги и пластмассовую ручку. Потрите ручку о волосы, а потом прикоснитесь к бумаге. Вы наэлектризовали ручку трением о волосы.
Электризация прикосновением
При взаимодействии двух тел, одно из которых наэлектризовано, незаряженное тело получает электрический заряд, если к нему прикоснуться заряженным. Если поднести пластмассовую ручку, обладающую положительным зарядом, к нейтральному стержню электроскопа, то произойдёт перераспределение заряда. Электроны стержня будут притягиваться положительным зарядом ручки (перетекать на ручку). Соответственно, на стержне образуется недостаток электронов, то есть положительный заряд. Причём равный по величине заряду ручки.
Электризация наведением (электростатическая индукция)
Этот способ электризации означает, что вы подносите заряженный предмет к изолированному проводнику, но не прикасаетесь к нему. Тогда на проводнике появляются заряды, притом на той его части, которая ближе к предмету, эти заряды противоположного знака. А на дальнем конце образуется заряд того же знака, что и на заряженном предмете.
При удалении заряженного предмета заряды на проводнике пропадают. Но если до удаления предмета разделить проводник на две части, то заряды на них сохранятся.
Какие законы физики связаны с электризацией
Явление электризации связано с такими физическими законами как:
Мы уже рассматривали эти законы, вы можете ознакомиться подробнее в соответствующих статьях, на которые мы сослались.
Молнии
Основная статья: Молния
В результате движения воздушных потоков, насыщенных водяными парами, образуются грозовые облака, являющиеся носителями статического электричества. Электрические разряды образуются между разноименными заряженными облаками или, чаще, между заряженным облаком и озоновым слоем земли, с последующим разрядом на землю. При достижении критической разности потенциалов происходит разряд молнии между облаками, на земле или в околокосмическом слое планеты. Для защиты от молний устанавливаются молниеотводы, проводящие разряд напрямую в землю.
Помимо молний, грозовые облака могут вызывать на изолированных металлических предметах опасные электрические потенциалы из-за электростатической индукции.
В 1872 году экспедицией под руководством географа Генри Ганнетта[en] была покорена 13-я по высоте гора штата Монтана (США)[en]. Ей дали название Электрический пик
, так как у первопроходцев-покорителей, находящихся на вершине, после грозы начали сыпаться искры из пальцев рук и волос на голове[3][4][5].
Делимость электрического заряда. Электрон
В эксперименте с электрометрами металлическим стержнем часть заряда переносится от одного электрометра на другой. Из опыта видно, что заряд делится. Если коснуться стержня второго электрометра рукой, то заряд с него снимется, и распределится по всему телу (человеческое тело является хорошим проводником электричества). Если снова соединить приборы стержнем из металла, оставшийся заряд опять разделится. При повторении тех же шагов заряд каждый раз будет делиться. Кажется, что этот процесс будет происходить до бесконечности.
Заряды постепенно настолько уменьшаются, что электрометр уже не в состоянии их измерить. Уже очень точные опыты показали, что делить заряд до бесконечности нельзя, существует наименьший электрический заряд, который поделить уже нельзя. Называют его элементарным зарядом с абсолютной величиной e. Заряды измеряют в кулонах (Кл) в честь Шарля Кулона, французского физика.
Элементарным электрическим зарядом с отрицательным знаком обладает частица электрон (греч. «еlectron» – «янтарь»).
Передача (проведение) электричества
Все ли вещества могут одинаково передавать электрический заряд? Ответ можно получить с помощью двух электрометров, металлического стержня и эбонитовой палочки. Стержень и палочка крепятся к пластмассовой ручке.
Вещества, способные проводить электрические заряды, как в случае под буквой б, называются проводниками (металлы, кислотные, щелочные и солевые растворы). Вещества, с помощью которых нельзя передать заряды, называются диэлектриками (изоляторами). Хорошие диэлектрики – это резина, стекло, эбонит, фарфор, пластмассы, воздух и др.
В повседневной жизни
Вокруг нас постоянно происходит электризация тел. При трении некоторых предметов она становится настолько высокой, что к ним притягиваются даже габаритные тяжелые детали. В домашних условиях наблюдать процесс электризации можно следующим образом:
Телевизоры по этой же причине притягивают пыль к экранам и корпусу. А воздушный шарик, натертый о волосы головы, можно надолго подвесить к потолку. Происходит притяжение заряженной поверхности к обоям или другому покрытию.
Проводники в электростатическом поле
Что происходит с телами, если их зарядить или поместить в электрическое поле? Проще всего ответить на этот вопрос в случае проводника. В проводниках есть свободные заряды.
Свободные заряды
В отношении электрических свойств тела делятся на проводники и диэлектрики (изоляторы). В проводниках, к которым в первую очередь относятся все металлы, имеются заряженные частицы, которые способны перемещаться внутри проводника под действием электрического поля. По этой причине заряды этих частиц называют свободными зарядами.
Диэлектрики состоят из нейтральных в целом атомов или молекул. Электрически заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут, подобно свободным зарядам проводника, перемещаться под действием поля по всему объему тела.
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. 1.48). Этот газ заполняет промежутки между ионами и стягивает их кулоновскими силами. Свободные электроны участвуют в тепловом движении, подобно молекулам газа, и могут перемещаться по куску металла в любом направлении.
Электрическое поле внутри проводника
Если электрические заряды неподвижны (случай электростатики), то электрического поля внутри проводника нет. Нетрудно понять почему. В проводнике есть свободные заряды. Поэтому если бы напряженность электрического поля была отлична от нуля, то поле приводило бы эти заряды в упорядоченное движение, т. е. в проводнике существовал бы электрический ток. Раз тока нет, то нет и поля. Утверждение об отсутствии электрического поля внутри проводника в равной мере справедливо как для заряженного проводника, так и для незаряженного, помещенного во внешнее электрическое поле. Нужно только иметь в виду, что речь идет о среднем значении напряженности поля. Отдельные заряженные частицы — электроны и ионы — создают микроскопические поля. Но эти поля внутри проводника в среднем компенсируют друг друга.
Механизм, приводящий к уничтожению электростатического поля в проводнике, состоит в следующем. Внесем в электрическое поле проводящий шар. В первый момент возникнет электрический ток, так как поле внутри шара вызывает перемещение электронов справа налево (рис. 1.49). Левая часть шара заряжается отрицательно, а правая — положительно. В этом состоит явление электростатической индукции. Появившиеся на поверхности проводника заряды создают свое поле, которое накладывается на внешнее поле и компенсирует его (рис. 1.50). (Силовые линии электрического поля этих зарядов показаны на рисунке штриховыми линиями.) За ничтожно малое время заряды перераспределятся так, что напряженность результирующего поля внутри шара 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. Если разделить шар пополам вдоль линии MN, то обе половины окажутся заряженными.
Итак, электростатического поля внутри проводника нет. На этом свойстве основана так называемая электростатическая защита. Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их заключают в металлические ящики.
Силовые линии электростатического поля вне проводника перпендикулярны его поверхности (см. рис. 1.50). Если бы это было не так, то имелась бы составляющая напряженности поля вдоль поверхности проводника и по поверхности протекал бы электрический ток.
Электрический заряд проводника
В случае равновесия зарядов не только поле внутри проводника равно нулю, равен нулю и заряд. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. Это подтверждается и теоремой Гаусса. Поток напряженности через любую замкнутую поверхность внутри проводника равен нулю, так как равна нулю напряженность поля. Следовательно, и заряд внутри этой поверхности равен нулю.
Подчеркнем, что весь заряд сосредоточен на поверхности проводника только благодаря тому, что напряженность поля убывает по мере удаления от заряда как 
При любой другой зависимости напряженности от расстояния теорема Гаусса не выполнялась бы и заряд внутри проводника был бы отличен от нуля.
Объяснить скапливание заряда на поверхности проводника одним отталкиванием одноименных зарядов нельзя. Первым это понял Г. Кавендиш. Он фактически за 14 лет до Кулона и более точно установил закон взаимодействия электрических зарядов. Но своих работ по электричеству Кавендиш не публиковал. Около ста лет рукописи находились в архиве семьи Кавендиша, пока не были переданы для печати Максвеллу. Произошло это через много лет после того, как закон взаимодействия зарядов был установлен Кулоном.
Кавендиш экспериментально доказал, что заряд проводника целиком распределяется на его поверхности. Для этого он поместил заряженный проводящий шар на изолирующей подставке внутрь сферы, образованной двумя металлическими полусферами, плотно соединенными друг с другом. В одной из полусфер было сделано маленькое отверстие, через которое можно было соединить заряженный шар и полусферы металлической проволокой (рис. 1.51). После соединения шара и полусфер проволокой полусферы раздвигались и измерялся заряд шара. Он оказался равным нулю. Кавендиш понял, что это означает уменьшение сил взаимодействия между электрическими зарядами обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.
Можно ли объяснить отсутствие зарядов внутри проводника тем что одноименные заряды отталкиваются
Поурочное планирование по физике для 8 класса. Ориентировано на работу с УМК перышкин. Физика 8 класс. Просвещение. Глава 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. Урок 29. Объяснение электрических явлений.
Урок 29.
Объяснение электрических явлений
Тип урока: урок рефлексии и развивающего контроля.
Цели: систематизировать и обобщить знания учащихся об электризации тел; научить объяснять различные электрические явления на основе электронной теории.
Приборы и материалы: электроскоп, электрометр, стеклянные и эбонитовые палочки, шелк, сукно, гильзы бумажные на шелковой нити, подвешенные на штативах, проволока на изолирующей ручке, кристаллизатор, касторовое масло, манная крупа, электро-форная машина.
Ход урока
I. Организационный момент
(Учитель и ученики приветствуют друг друга, выявляются отсутствующие.)
II. Актуализация знаний. Проверка домашнего задания
(Учитель проводит выборочный опрос по вопросам и заданиям учебника. Ученики принимают активное участие в работе.)
III. Изучение нового материала
Основная цель этого урока — обобщить ранее полученные знания об электризации на основе электронной теории. Учащиеся на основании знаний об электроне и строении атома должны объяснять электризацию тел при соприкосновении, переход части заряда с заряженного тела на незаряженное при их соприкосновении, существование проводников и изоляторов, притяжение не наэлектризованных проводников к заряженным телам. (Ученики коллективно заполняют пропуски в тексте, используя материал § 30 учебника.)
(Ученики коллективно отвечают на вопросы.)
(Ученики проводят демонстрации опытов для подтверждения сформулированных положений.)
Демонстрация 1. Зарядим электрометр положительным зарядом. Соединим проволокой, укрепленной на изолирующей ручке, стержень заряженного со стержнем незаряженного электрометра.
Объяснение. Вокруг заряда, находящегося на первом электрометре, существует электрическое поле. Это поле после соединения действует на электроны проводимости как проволоки, так и стержня второго электрометра. Часть электронов перейдет на первый. На втором будет недостаток электронов.
Демонстрация 2. Притяжение к наэлектризованной полоске диэлектриков, которые предварительно не наэлектризованы.
Объяснение. При приближении наэлектризованной полоски к бумажной гильзе, т. е. к диэлектрику, электрическое поле заряда полоски действует на электроны атомов бумаги, при этом форма внешних орбит электронов в атомах диэлектрика изменяется и становится вытянутой. В зависимости от знака заряда, создающего поле, электроны смещаются в сторону. Поэтому на близлежащей стороне гильзы наведется заряд, противоположный заряду полоски. Внутри неоднородного диэлектрика электрическое поле будет скомпенсировано. После соприкосновения гильза заряжена одноименным знаком с палочкой и отталкивается.
Демонстрация 3. Кристаллизатор заполним касторовым маслом, в которое подмешиваем манную крупу. Помещаем два цилиндра, соединенные с кондукторами электрофорной машины. Получаем спектр. По спектру судим о характере поля, созданного разноименными зарядами.
IV. Решение задач
(Учитель разбирает несколько типичных задач, затем ученики решают задачи самостоятельно.)
Типичные задачи
Решение. Заряженное тело создает вокруг себя электрическое поле, которое, действуя на электроны и протоны в незаряженном теле, вызывает в нем разделение зарядов. В результате заряженное тело будет притягивать «ближнюю половину» незаряженного тела и отталкивать «дальнюю». Хотя заряды «половин» тела по модулю одинаковы, на «ближнюю» его половину действует более сильное поле, поскольку она находится ближе к первому телу. Вследствие этого притяжение «пересилит» отталкивание.
Решение. Можно поднести заряженный шарик к незаряженному, коснувшись при этом незаряженного шарика пальцем (на короткое время заземлить). В результате этого шарик приобретет положительный заряд. Заряд первого шарика останется неизменным.
Решение. Вначале следует получить положительный заряд на каком-либо проводнике (см. задачу 2). Затем поднести этот проводник к незаряженному шарику и, коснувшись его пальцем, на короткое время заземлить.
Решение. Эффект перераспределения зарядов может привести к притяжению одноименно заряженных тел: «ближняя» сторона одного из них может изменить знак заряда. Притяжение меньшего по модулю, но ближе расположенного заряда «пересилит» отталкивание большего по модулю, но более далекого заряда. Такое возможно, если тела находятся достаточно близко друг к другу и заряд одного из них во много раз превышает заряд другого.
Решение. Да, если тело проводящее и находится во внешнем электрическом поле. Это поле вызывает перераспределение заряда.
Решение. Электроны располагаются равномерно по всей поверхности проводника. Поэтому в шаре заряд располагается равномерно, а в конусе самое сильное электрическое поле у вершины, где на единицу объема приходится больший заряд.
Задачи для самостоятельного решения
V. Рефлексия
(Ученики оценивают свою работу на уроке и качество усвоения материала по методу «Мишень».) Каждый ученик «стреляет» маркером в мишень четыре раза, располагая отметку тем ближе к центру мишени, чем выше он оценивает соответствующий сектор. Секторы мишени:
Домашнее задание
Вы смотрели : Поурочное планирование по физике для 8 класса. Ориентировано на работу с УМК Перышкин. Физика 8 класс. Просвещение. Глава 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. Урок 29. Объяснение электрических явлений.