1-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

1. Электрическое поле

УРОК 6/6

Тема. Проводники в электростатическом поле

Цель урока: научить учащихся объяснять с точки зрения электронной теории явления, происходящие в проводниках, помещенных в электрическое поле.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Особенности внутреннего строения проводников

Любое вещество состоит из молекул, атомов или ионов, которые, в свою очередь, содержат заряженные частицы. Поэтому, если тело поместить в электрическое поле, это вызовет определенные изменения в веществе, из которого изготовлено тело.

По электрическим свойствам вещество делится на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Ø Проводниками называют вещества, способные проводить электрический ток.

В проводниках есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в веществе.

Лучшие проводники - металлы. Дело в том, что в атомах металлов внешние электроны слабо связаны со своими атомами и поэтому легко отрываются от них и «обобществляются», становясь собственностью всего куска металла в целом.

Проводниками являются также растворы солей (например, каменной соли). В этом случае роль свободных зарядов играют положительно и отрицательно заряженные ионы.

2. Электростатические свойства проводников

Свойство 1. Напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю.

Поместим проводник в электростатическое поле. Под действием электрических сил движение свободных электронов станет напрямленим. Определенный участок на поверхности проводника приобретает отрицательный заряд, а противоположная - положительного.

Таким образом, на поверхности проводника появляются наведенные (индуцированные) электрические заряды, при этом суммарный заряд проводника остается неизменным. Описанное явление называется электростатической индукцией.

Ø Электростатическая индукция - это явление перераспределения электрических зарядов в проводнике, помещенном в электростатическое поле, в результате чего на поверхности проводника возникают электрические заряды.

Индуцированные заряды, которые возникают, создают свое электрическое поле напряженностью ', напрямлене в сторону, противоположную напряженности 0 внешнего поля. Процесс перераспределения зарядов в проводнике будет продолжаться до тех пор, пока создаваемое индуцированными зарядами поле внутри проводника полностью компенсирует внешнее поле. Напряженность = 0 + ' результирующего поля внутри проводника равна нулю.

Свойство 2. Поверхность проводника является эквипотенциальной.

Это утверждение является следствием соотношения между напряженностью поля и разностью потенциалов:

Если напряженность поля внутри проводника равна нулю, то разность потенциалов также равна нулю, поэтому потенциалы во всех точках проводника одинаковы, т.е. поверхность проводника является эквипотенциальной.

Свойство 3. Весь статический заряд проводника сконцентрирован на его поверхности.

Это свойство является следствием закона Кулона и свойства одноименных зарядов отталкиваться.

Свойство 4. Вектор напряженности электростатического поля проводника направленный перпендикулярно к его поверхности.

Предположим, что в некоторой точке поверхности проводника вектор напряженности электростатического поля направлен под углом к поверхности проводника. Разложим этот вектор на две составляющие: нормальное n, перпендикулярная к поверхности, и тангенциальная , направленная по касательной к поверхности.

Под действием электроны будут направленно двигаться по поверхности, но это не означает, что по поверхности проводника протекает ток, а это, в свою очередь, противоречит електростатичності. Следовательно, в случае равновесия зарядов: = 0, а = n.

Свойство 5. Электрические заряды распределяются по поверхности проводника так, что напряженность электростатического поля проводника оказывается больше на выступлениях проводника и меньше на его впадинах.

Рассмотрим проводник неправильной формы. Любое заряженное тело на больших расстояниях от него можно считать точечным зарядом, эквипотенциальные поверхности которого имеют вид концентрических сфер. Таким образом, по мере удаления от проводника эквипотенциальные поверхности вблизи проводника, что повторяют форму его поверхности, должны постепенно и плавно приобретать вид сферы. Но это возможно только в том случае, если эквипотенциальные поверхности будут сгущенные возле выступлений проводника и разреженные возле впадин.

Там, где эквипотенциальные поверхности расположены гуще, напряженность поля, перпендикулярная к поверхности проводника, большая, а там, где расположены реже, - напряженность поля меньше.

3. Применение электростатических свойств проводников

Электростатическая защита. Отсутствие электрического поля и зарядов внутри проводника используют для создания так называемого электростатического защиты. Поскольку заряды на проводнике располагаются на его поверхности, распределение зарядов будет одинаковым для сплошного и полого проводников, например, для шара и сферы такого же радиуса. Следовательно, поле внутри проводящей сферы или любой другой замкнутой области, окруженной проводником, равна нулю. Поэтому чувствительные к электрическому полю приборы размещают в металлические ящики.

Электростатическая защита используют и для того, чтобы защитить людей, которые работают с устройствами, находящихся в сильном электрическом поле: в таком случае металлической сеткой окружают пространство, в котором находятся работники.

Заземление. Чтобы разрядить небольшое тело, его необходимо соединить проводником с телом больших размеров, ведь на теле внушительных размеров накапливается мощный электрический заряд. Следовательно, если одна из заряженных шаров значительно больше другой, то после их соединения практически весь заряд окажется на большем шаре. Этот вывод справедлив и для проводящих тел произвольной формы.

Часто как тело значительных размеров используют весь земной шар: приборы, на которых не должен собираться электрический заряд, «заземляют» - присоединяют к массивного проводника, закопанного в землю. Считают, что потенциал заземленного тела равна нулю.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Что такое «свободные заряды»? В каких веществах они есть?

2. Откуда берутся свободные заряды внутри металлического проводника?

3. Чему равна напряженность электрического поля внутри изолированного проводника во время равновесия свободных зарядов?

4. Примеры использования электростатической защиты.

5. Зачем применяют заземление?

Второй уровень

1. Почему во время равновесия свободных зарядов напряженность электрического поля внутри изолированного проводника равна нулю?

2. За счет какой энергии происходит разделение электрических зарядов во время электростатической индукции?

3. Почему все точки внутри проводника имеют одинаковый потенциал?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Могут привлекаться одноименно заряженные тела? Решения. Могут, если они расположены на незначительном расстоянии и заряд одного тела намного превышает заряд второго.

2. До кондуктора заряженного электрометра преподносят (не касаясь его) незаряджене ведущее тело. Как и почему изменяется отклонение стрелки электрометра?

3. Как с помощью отрицательно заряженного металлического шарика и не уменьшая ее заряда, отрицательно зарядить другая такую же шарик?

2). Учимся решать задачи

1. Полоска из алюминиевой фольги лежит на деревянном столе. К ее краю подносят заряженную эбонитовую палочку. Как изменится сила взаимодействия между полоской и палочкой, если полоску укоротить?

2. Две металлические шары подвешены на диэлектрических нитях так, что касаются друг друга. Как можно передать им электрический заряд, не касаясь каждой из шариков?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Проводниками называют вещества, способные проводить электрический ток.

• Проводник, помещенный в электростатическое поле, имеет такие свойства: напряженность поля внутри проводника равна нулю; поверхность проводника является эквипотенциальной; весь статический заряд проводника сосредоточен только на его поверхности; вектор напряженности электростатического поля проводника направленный перпендикулярно к его поверхности; электрические заряды распределяются по поверхности проводника так, что напряженность поля проводника оказывается больше на выступлениях проводника и меньше на его впадинах.

• Электростатическая индукция - это явление перераспределения электрических зарядов в проводнике, помещенном в электростатическое поле, в результате чего на поверхности проводника возникают электрические заряды.

• Электростатическая защита: любой объект можно защитить от действия электростатического поля, поместив его внутрь замкнутой проводящей (чаще металлической) оболочки.

Домашнее задание

1. Подр-1: § 5; подр-2: § 2 (п. 1).

2. Сб.:

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.