Проводники в электрическом поле

Проводники – это вещества, в которых много свободных электрических зарядов. Рассматривая, взаимодействие проводников с электрическим полем необходимо выделить два случая: нейтральный и заряженный проводник в электрическом поле.

Если нейтральный шар (проводник) поместить в электрическое поле начнется явление электростатической индукции – под влиянием поля электроны проводника начнут перемещаться против поля. Индуцированные заряды создадут внутри проводника свое собственное поле, противоположное внешнему, при этом напряженность результирующего поля внутри проводника будет равна нулю, а потенциал во всех точках одинаков и равен потенциалу поверхности проводника. Силовые линии внешнего поля вблизи проводника должны расположиться перпендикулярно поверхности проводника. Таким образом, внесенный в электрическое поле проводник, даже если он не заряжен, вызывает искажение поля: вблизи проводника оно становится неоднородным.

Если проводник заряжен, то сообщенные ему заряды под действием силы Кулона располагаются только на внешней поверхности проводника. Внутри проводника свободных зарядов нет. Наибольшая поверхностная плотность зарядов будет на выпуклых частях проводника: ребрах, остриях и т.п. Вблизи этих частей создается наибольшая напряженность поля заряженного проводника. Проводник, если он заряжен, вызывает искажение поля.

Поверхность проводника является эквипотенциальной и заряженный проводник можно характеризовать потенциалом. Опыт показывает, что при увеличении заряда возрастает потенциал проводника, при этом коэффициент пропорциональность называется электроемкость: .

Величина электроемкости проводника определяется его размерами и диэлектрической проницаемостью среды внутри проводника, единица измерения электроемкости – Фарада (Ф). Например, электроемкость шара:

Электроемкость плоского конденсатора: .

При последовательном соединении конденсаторов:

При параллельном соединении конденсаторов:

Какую работу нужно совершить, чтобы зарядить проводник? Для зарядки проводника необходимо совершить работу против кулоновских сил отталкивания. Эта работа идет на увеличение электрической энергии заряженного проводника: , если то . .

Знак минус показывает, что работа совершается внешними силами против сил поля заряженного проводника. Такую же по величине, но противоположную по знаку работу может совершить (в процессе разрядки) сам заряженный проводник. Энергия заряженного проводника: или энергия электрического поля. Если рассмотреть поле внутри плоского конденсатора, подставить соответствующее выражение для емкости, и вспомнив, что напряженность равна изменению потенциала на единицу расстояния, то , разделим на объем конденсатора и получим энергию одного кубического метра пространства конденсатора или объемную плотность энергии электрического поля: .