Для всех учителей из 37 347 образовательных учреждений по всей стране

Скидка до 75% на все 778 курсов

Выбрать курс
версия для слабовидящих
Получите деньги за публикацию своих
разработок в библиотеке «Инфоурок»
Добавить авторскую разработку
и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок Видеоуроки Физика 10 класс Проводники в электростатическом поле

Проводники в электростатическом поле

Описание видеоурока

В проводниках, к которым в первую очередь относятся металлы, имеются заряженные частицы, способные перемещаться внутри проводника под влиянием электрического поля. По этой причине заряды этих частиц называют свободными зарядами. Например, при замыкании медным стержнем заряженного электроскопа с незаряженным заряды протекают с одного электрода на другой. Если один конец проводника соединить с заряженным электроскопом, а другой поднести в пламя, то заряды стекают по проводнику. В металлах носителями свободных зарядов являются электроны. При образовании металла его нейтральные 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 образовавшиеся положительно заряженные ионы оказываются окруженными отрицательно заряженным «газом», образованным коллективизированными электронами. Свободные электроны участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по куску металла в любом направлении. Приведем пример, рассмотрев строение атома натрия – металла. На последнем энергетическом уровне находится один электрон. Десять электронов, которые находятся на внутренних энергетических уровнях, отталкивает одиннадцатый электрон, который находится на внешнем энергетическом уровне. Последний электрон отрывается от ядра и становится свободным. Наличие в проводнике свободных зарядов приводит к тому, что внутри проводника электростатического поля нет. На этом факте основана электростатическая защита: чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их помещают в металлические ящики. Внутри проводника при равновесии зарядов не только напряженность поля равна нулю, равен нулю и заряд. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. А линии напряженности электрического поля в любой точке поверхности проводника перпендикулярны этой поверхности. Этот вывод справедлив как для заряженных проводников, так и для незаряженных. Опишем эксперимент, в котором данное утверждение можно продемонстрировать. На изолирующем штативе устанавливают металлический стержень высотой 25-30 см, к нему в два «этажа» прикреплены бумажные полоски. Присоединив стержень к высоковольтному выпрямителю, электризуют его и наблюдают отклонение листочков от обоих «этажей». Взяв демонстрационный цилиндр Фарадея за изолирующую ручку, надевают его на стержень. Вновь электризуют стержень и замечают, что листочки на боковой поверхности цилиндра и на внешней части стержня расходятся. Из опыта непосредственно видно, что электрические заряды располагаются на поверхности проводника. Так как электрические заряды находятся только на поверхности проводника и отсутствуют внутри его, то происходит полная передача электрического заряда одного проводника другому при контакте. В электрическом поле электроны внешних уровней отрываются от своих атомов, становятся «свободными» частицами и перемещаются полем. Перераспределение заряженных частиц внутри вещества приводит к появлению внутреннего индуцированного электрического поля, которое полностью компенсирует внешнее поле; напряженность электрического поля внутри проводника обращается в 0. Говорят, что поле «не проникает» внутрь проводника. Рассмотрим случай, когда в электрическое поле вносят незаряженный проводник. Если до внесения проводника поле было однородным, то после внесения наведенные заряды под действием сил электрического поля располагаются на поверхности проводника и оказываются в равновесии. Равновесие зарядов возможно лишь в том случае, если линии напряженности перпендикулярны к его поверхности. После зарядки проводника избыточные одноименные заряды в силу отталкивания будут удаляться друг от друга и расположатся на внешней поверхности проводника. Движение зарядов прекратится, когда наступит их равновесие. Линии напряженности направлены нормально к поверхности проводника. Отрицательные и положительные заряды, возникшие на концах проводника, помещенного в электростатическое поле, называются наведенными зарядами, а само явление подобной электризации называется электростатической индукцией. Рассмотрим практически вышеизложенный материал. Имеется полая проводящая незаряженная сфера, внутрь которой помещен положительно заряженный шарик. 1) Где будут существовать электрические поля? Вокруг положительно заряженного шарика есть электрическое поле, которое действует на сферу. Сфера заряжается, и вокруг нее тоже возникает электрическое поле. Поле будет существовать внутри и вне сферы 2) Будут ли появляться заряды на сфере? Электрическое поле положительно заряженного шарика влияет на то, что на внутренней поверхности полой сферы будет сконцентрирован отрицательный заряд. Следовательно, на внешней поверхности будет положительный заряд. 3) Будет ли меняться поле внутри и вне сферы, если перемещать шарик, если шарик оставить неподвижным, а снаружи к сфере поднести заряженное тело? Вблизи заряженного тела электрическое поле имеет большую напряженность и если передвигать заряд внутри полости сферы, то там будет меняться и напряженность поля соответственно передвижению заряда. Если поднести снаружи заряженное тело, то значит, мы вносим и электрическое поле этого тела, что приведет к тому, что вне сферы электрическое поле изменится. Распределение заряда на проводнике переменной кривизны неравномерное: напряженность поля и поверхностная плотность зарядов достигает большой величины в местах большой кривизны (выступы, заострения). Одноименные с зарядом острия ионы воздуха устремляются прочь от него (электрический ветер). Уменьшение заряда на острие вследствие его частичной нейтрализации его ионами воздуха называют истечением заряда с острия. Практическим приложением изучения вопроса о проводниках в электрическом поле является экранирование пространства от электрических полей – электростатическая защита. Распределение зарядов в полом проводнике будет таким же, как и в сплошном. Напряженность поля в толще оставшейся части металла и внутри полости будет равна нулю. По этой причине полый металлический проводник экранирует электрическое поле внешних зарядов. Этим и широко пользуются на практике для устройства электростатической защиты. Отсутствие поля внутри полости проводника можно также показать с помощью гибкой сетки, свернув ее в кольцо. Прикрепленные к сетке одноименно заряженные лёгкие листочки будут отталкиваться только от наружной поверхности. На внутренней поверхности кольца листочки опадут. Клетка Фарадея – устройство, изобретенное Майклом Фарадеем в 1836 году для экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей. Электростатическая защита – помещение приборов, чувствительных к электрическому полю, внутрь замкнутой проводящей оболочки для экранирования от внешнего электрического поля. Рассмотрим еще некоторые случаи, где знание о свойствах проводников получило важное применение. Первые опыты применения бездымного пороха для винтовочных патронов были связаны с большими неудобствами. Во время взвешивания его зерна «прилипали» к рукам, совочку, весам, мерке, что крайне затрудняло работу. Тогда было предложено графитование (поверхность зерен пороха покрывалось графитом). После этого порох переставал прилипать ко всем предметам. Причина прилипания зерен бездымного пороха заключается в его электризации при трении о предметы. Графит – проводник; поэтому графитование дало возможность разряжать зерна пороха. Другой пример. На столе, на изоляторе стоит заряженный электрометр. Чтобы разрядить прибор ученик коснулся рукой его шарика и увидел, что стрелка отклонилась на больший угол, вместо того, чтобы приблизиться к стержню. Произошло это потому, что заряд был сообщён не стержню, а корпусу электрометра.

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.