Электрическая индукция. Электростатическое экранирование

Пусть незаряженный проводник помещается во внешнее электрическое поле . Электрические заряды на поверхности проводника перераспределяются так, чтобы своим электрическим полем скомпенсировать внешнее поле, проникшее внутрь проводника. То есть, при равновесии зарядов напряженность поля внутри проводника . Вне проводника такой компенсации не достигается, и напряженность результирующего поля . Если проводник заряжен, то под влиянием внешнего поля также происходит перераспределение заряда на поверхности проводника так, чтобы напряженность полного поля внутри проводника стала равной нулю.

Определение. Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике при его помещении во внешнее электрическое поле называется электрической индукцией.

Внутренние части проводника не участвуют в компенсации внешнего поля внутри сплошного проводника за счет электрической индукции. Значит, внешнее поле не проникнет и в область, окруженную замкнутой проводящей оболочкой – экраном (см. рис. 2.6).

Рис. 2.6. Металлический экран для внешних полей

Вывод. Замкнутая проводящая оболочка экранирует внутреннюю область пространства от внешнего электрического поля.

Экраны применяют для защиты технических устройств от внешних электрических полей. Как показывает опыт, экранирующая способность металлической сетки с мелкими ячейками лишь немного хуже, чем у сплошного экрана.

Пусть теперь поле создано зарядом, расположенным в области, ограниченной замкнутой проводящей оболочкой. В случае рис. 2.8 оболочка заземлена проводником, а в случае рис. 2.9 – нет. Поле заряда вызывает разделение зарядов между внутренней и внешней поверхностью оболочки. Если , то отрицательные заряды накапливаются на внутренней поверхности оболочки, а положительные – на внешней. Поле зарядов внутренней поверхности оболочки экранирует поле заряда от проникновения внутрь оболочки. Если экран заземлен, то заряд с внешней поверхности оболочки уходит в Землю, так что внешняя поверхность оболочки остается незаряженной (см. рис. 2.8). В результате поле во внешней области - за оболочкой, отсутствует.

Вывод. Если замкнутая проводящая оболочка заземлена, то она экранирует внешнюю область пространства – за оболочкой, от электрического поля зарядов, расположенных во внутренней области.

Рис. 2.8. Экранирование поля заряда заземленной

замкнутой оболочкой от проникновения во внешнюю область

Напротив, если оболочка не заземлена, то заряд, индуцированный на ее внешней поверхности, создает поле во внешнем пространстве (см. рис. 2.9), и оболочка не экранирует поле заряда от проникновения за экран.

Рис. 2.9. Проникновение поля заряда во внешнюю область, если замкнутая оболочка не заземлена

Если заряд привести в соприкосновение с внутренней поверхностью проводящей оболочки, то этот заряд компенсирует заряд, индуцированный на той же поверхности. Остается заряд, равный , на внешней поверхности оболочки.

Для почти полного съема заряда с проводника (например, стержня) такой проводник вносят внутрь металлической оболочки через отверстие в оболочке и прикасаются им к внутренней поверхности оболочки. Заряд с проводника почти полностью передается на внешнюю поверхность проводящей оболочки. Операцию зарядки проводника с последующим переносом заряда на изолированную оболочку можно повторять многократно. По мере накопления заряда на оболочке повышается потенциал оболочки относительно Земли. На таком принципе действуют электростатические генераторы, предназначенные для получения высоких напряжений - до В. Электростатические генераторы применяют для ускорения заряженных частиц.