Индуцированные заряды

Электростатическая индукция

Эксперимент с электроскопом показывающий возникновение индуцированного заряда.

Электростатическая индукция — явление наведения собственного электростатического поля при действии на тело внешнего электрического поля. Явление обусловлено перераспределением зарядов внутри проводящих тел, а также поляризацией внутренних микроструктур у непроводящих тел. Внешнее электрическое поле может значительно исказиться вблизи тела с индуцированным электрическим полем.

Электростатическая индукция в проводниках

Перераспределение зарядов в хорошо проводящих металлах при действии внешнего электрического поля происходит до тех пор, пока заряды внутри тела практически полностью не скомпенсируют внешнее электрическое поле. При этом на противоположных сторонах проводящего тела появятся противоположные наведённые (индуцированные) заряды.

Электростатической индукцией в проводниках пользуются при их заряжении. Так, если проводник заземлить и поднести к нему заряженное отрицательно тело, не касаясь им проводника, то некоторое количество отрицательных зарядов перетечёт в землю, заместившись взамен положительными. Если теперь убрать заземление, а затем и заряженное тело, проводник останется положительно заряженным. Если же сделать то же самое, не заземляя проводник, то после убирания заряженного тела индуцированные на проводнике заряды перераспределятся, и все его части вновь станут нейтральными.

> Электростатическая индукция в диэлектриках

Диэлектрики в электростатическом поле поляризуются.

Применение

Наиболее массовое применение находит основанная на данном явлении электростатическая защита приборов и соединительных цепей.

Данный эффект используется в ряде приборов, например в генераторе Ван де Граафа.

Примечания

  1. атомов, молекул, кристаллических решёток и т.п.
  2. относительно внешнего электрического поля
  3. § 8. Электризация через влияние. // Элементарный учебник физики / Под ред. Г.С. Ландсберга. — 13-е изд. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. — Т. 2. Электричество и магнетизм. — С. 24—27.

Ссылки

  • «2.2. Проводник в электростатическом поле. Электрическая ёмкость»
  • Электростатическая индукция. — Статья в физической энциклопедии
  • Толковый словарь о физике:»Электростатическая индукция» (недоступная ссылка)

Это заготовка статьи по физике. Вы можете помочь проекту, дополнив её.

>Электростатическая индукция

Основные принципы электростатической индукция

Любая материя состоит из заряженных частиц: электронов и ядер атомов. Электрические свойства вещества определяет реакция заряженных частиц на внешнее электрическое поле. Под воздействием электрического поля заряженные частицы начинают перемещаться. Характер и механизмы движения частиц при этом различны. Но по результату все виды движения заряженных частиц под воздействием внешнего поля, делят на две группы.

При ограниченном смещении зарядов, такие заряды называют связанными, а процесс перемещения связанных зарядов носит название диэлектрической поляризации. Вещества, у которых преобладает поляризация во внешнем поле, называют диэлектриками. Основной макроскопической характеристикой в этом случае служит диэлектрическая проницаемость вещества ().

Другая группа веществ состоит из сред, в которых происходит неограниченное смещение зарядов в объемах тел. Такие заряды называют свободными. Направленное движение свободных зарядов называют электрическим током. Свойство материи проводить электрический ток называют электропроводностью. При этом характеристикой электропроводности является удельная проводимость () или величина ей обратная – удельное сопротивление (). Вещества, обладающие высокой удельной проводимостью называют проводниками. К типичным проводникам относят металлы.

Если проводник внести в электростатическое поле, то свободные и связанные заряды начинают перемещение. При этом свободные заряды накапливаются на противоположных концах проводника. Они порождают в объеме проводника электростатическое поле, которое имеет направление против внешнего поля. В результате действия этого поля постепенно движение зарядов прекращается, и система приходит в равновесие. В равновесии электрическое поле в проводнике становится равным нулю, диэлектрическая поляризация и электрический ток становятся равны нулю. При этом концентрация свободных зарядов, которые накопились на противоположных поверхностях проводника, является максимальной. Данные заряды локализованы в тонком поверхностном слое проводника. Их характеризуют при помощи поверхностной плотности заряда (). Заряды, которые возникли на противоположных концах проводника, помещенного в электростатическое поле называют индуцированными.

Явление возникновения индуцированных зарядов называют электростатической индукцией. Самой существенной особенностью индуцированных зарядов является то, что их можно разделить механически. При диэлектрической поляризации такое не представляется возможным.

И так, электрические заряды в проводниках способны перемещаться. Если к незаряженному проводнику поднести электрический заряд, то заряды противоположного знака переместятся к этому заряду, а такого же знака отодвинутся от него. При этом наш проводник в целом буде иметь нулевой заряд. В соответствии с законом Кулона сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональная расстоянию между ними. Получится, что незаряженный проводник будет притягиваться к поднесенному к нему заряду.

Если индуцирующий заряд убрать, то проводник вернется в нейтральное состояние. Если индуцирующий заряд оставить на месте, при этом отделить ближнюю и дальние части проводника, изолировав их, то каждая из частей будет нести заряд, имеющий равный по модулю и противоположный по знаку. Электростатические машины устроены в по такому принципу. Они повторяют операции накопления и разделения зарядов.

Определение электростатической индукции

ОПРЕДЕЛЕНИЕ Явлением электростатической индукции называют процесс возникновения собственного электростатического поля у тела, если оно помещено во внешнее электрическое поле.

Данное явление вызвано перераспределением зарядов внутри проводников и поляризацией диэлектриков. При этом внешнее электростатическое поле может искажаться индуцированным полем.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание Как используя явление индукции определить знак заряда на электроскопе?
Решение Определить знак заряда на электроскопе можно, если приблизить к нему тело несущее заряд известного знака. При этом если знак заряда электроскопа совпадает со знаком заряда на пробном теле (рис.1(а)), то листки электроскопа расходятся на больший угол, если заряды на теле и электроскопе противоположны, то листки электроскопа сближаются (рис.1(б)). На рис.1 пунктиром обозначено положение листков электроскопа до сближения его с заряженным телом.

Это происходит потому, что когда подносят к шару электроскопа заряженное тело, то на стержне прибора возникают индуцированные заряды. При этом на внешнем конце стержня появляются заряды противоположного знака (у нас отрицательные), на внутреннем конце того же знака, что у подносимого тела (у нас положительные). Значит, если на электроскопе был изначально заряд такой же, что на теле, то суммарный заряд листков растет, при этом угол расхождения листков увеличивается. Если электроскоп и тело несут заряды противоположных знаков, то листки отклоняются на меньший угол, так как часть заряда электроскопа будет компенсирована, заряд на нем уменьшится.

ПРИМЕР 2

Задание Электроскоп несет положительный заряд. К нему подносят отрицательно заряженное тело. При этом с уменьшением расстояния между телом и электроскопом угол отклонения листков прибора уменьшается постепенно и на некотором расстоянии становится равным нулю. Расстояние уменьшают дальше. Угол между листками электроскопа вновь увеличивается. Почему?
Решение При приближении к шару электроскопа, который заряжен положительно, отрицательно заряженного тела, на внутреннем конце стержня прибора увеличивается индуцированный отрицательный заряд. Он частично, а с уменьшением расстояния полностью компенсирует положительный заряд электроскопа (его листков). При дальнейшем приближении заряженного тела к электроскопу листки электроскопа заряжаются отрицательно и с увеличением заряда, увеличивается угол расхождения листков.

>Электризация тел. Два рода зарядов. Закон сохранения электрического заряда

Электризация, виды зарядов

На прошлом уроке мы уже упоминали о ранних экспериментах в электростатике. Все они были основаны на натирании одного вещества о другое и дальнейшем взаимодействии этих тел с малыми объектами (пылинками, клочками бумаги…). Все эти опыты основаны на процессе электризации.

Определение. Электризация – разделение электрических зарядов. Это значит, что электроны от одного тела переходят к другому (рис. 1).

Рис. 1. Разделение электрических зарядов

До момента открытия теории о двух принципиально разных зарядах и элементарного заряда электрона считалось, что заряд – некая невидимая сверхлегкая жидкость, и, если она есть на теле, значит, тело обладает зарядом и наоборот.

Первые серьезные опыты по электризации различных тел, как уже было сказано на предыдущем уроке, проводил английский ученый и врач Уильям Гильберт (1544-1603), однако ему не удавалось наэлектризовать металлические тела, и он посчитал, что электризация металлов невозможна. Однако это оказалось неправдой, что впоследствии доказал русский ученый Петров. Однако следующий более важный шаг в исследовании электродинамики (а именно открытие разнородных зарядов) сделал французский ученый Шарль Дюфе (1698-1739). В результате своих опытов он установил наличие, как он их назвал, стеклянных (трение стекла о шелк) и смоляных (янтаря о мех) зарядов.

Еще через некоторое время были сформулированы следующие законы (рис. 2):

1) одноименные заряды взаимно отталкиваются;

2) разноименные заряды взаимно притягиваются.

Рис. 2. Взаимодействие зарядов

Обозначения положительных (+) и отрицательных (–) зарядов было введено американским ученым Бенджамином Франклином (1706-1790).

По договоренности принято называть положительным заряд, который образуется на стеклянной палочке, если натирать ее бумагой или шелком (рис. 3), а отрицательный – на эбонитовой или янтарной палочке, если натирать ее мехом (рис. 4).

Рис. 3. Положительный заряд

Рис. 4. Отрицательный заряд

Открытие Томсоном электрона наконец дало ученым понять, что при электризации никакая электрическая жидкость не сообщается телу и никакой заряд не наносится извне. Происходит перераспределение электронов, как мельчайших носителей отрицательного заряда. В области, куда они приходят, их количество становится большим, чем количество положительных протонов. Таким образом, появляется нескомпенсированный отрицательный заряд. И наоборот, в области, откуда они уходят, появляется нехватка отрицательных зарядов, необходимых для компенсации положительных. Таким образом, область заряжается положительно.

Было установлено не только наличие двух разных видов зарядов, но и два различных принципа их взаимодействия: взаимное отталкивание двух тел, заряженных одноименными зарядами (одного знака) и соответственно притяжение разноименно заряженных тел.

Виды электризации, демонстрации опытов

Электризация может производиться несколькими способами:

  • трением;
  • прикосновением;
  • ударом;
  • наведением (через влияние);
  • облучением;
  • химическим взаимодействием.

Электризация трением и электризация соприкосновением

Когда стеклянную палочку натирают о бумагу, палочка получает положительный заряд. Соприкасаясь с металлической стойкой, палочка передает положительный заряд бумажному султану, и его лепестки отталкиваются друг от друга (рис. 5). Этот опыт говорит о том, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга.

Рис. 5. Электризация прикосновением

В результате трения о мех эбонит приобретает отрицательный заряд. Поднося эту палочку к бумажному султану, видим, как лепестки притягиваются к ней (см. рис. 6).

Рис. 6. Притяжение разноименных зарядов

Электризация через влияние (наведение)

Поставим на подставку с султаном линейку. Наэлектризовав стеклянную палочку, приблизим ее к линейке. Трение между линейкой и подставкой будет небольшим, поэтому можно наблюдать взаимодействие заряженного тела (палочки) и тела, у которого заряда нет (линейка).

При проведении каждого эксперимента совершалось разделение зарядов, никаких новых зарядов не возникало (рис. 7).

Рис. 7. Перераспределение зарядов

Электрометр

Итак, если мы сообщили любым из вышеуказанных способов электрический заряд телу, нам, конечно же, необходимо каким-либо способом оценить величину этого заряда. Для этого используется прибор электрометр, который был придуман русским ученым М.В. Ломоносовым (рис. 8).

Рис. 8. М.В. Ломоносов (1711-1765)

Электрометр (рис. 9) состоит из круглой банки, металлического стержня и легкого стержня, который может вращаться вокруг горизонтально расположенной оси.

Рис. 9. Электрометр

Сообщая заряд электрометру, мы в любом случае (и для положительного, и для отрицательного заряда) заряжаем и стержень, и стрелку одноименными зарядами, в результате чего стрелка отклоняется. По углу отклонения и оценивается заряд (рис. 10).

Рис. 10. Электрометр. Угол отклонения

Если взять наэлектризованную стеклянную палочку, прикоснуться ею к электрометру, то стрелка отклонится. Это говорит о том, что электрометру был сообщен электрический заряд. В ходе этого же эксперимента с эбонитовой палочкой этот заряд компенсируется (рис. 11).

Рис. 11. Компенсация заряда электрометра

Закон сохранения заряда

Так как уже было указано, что никакого создания заряда не происходит, а происходит лишь перераспределение, то имеет смысл сформулировать закон сохранения заряда:

В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной (рис. 12). Замкнутой системой называется система тел, из которой заряды не уходят и в которую заряженные тела или заряженные частицы не поступают.

Рис. 13. Закон сохранения заряда

Данный закон напоминает о законе сохранения массы, так как заряды существуют только вместе с частицами. Очень часто заряды по аналогии называют количеством электричества.

До конца закон сохранения зарядов не объяснен, так как заряды появляются и исчезают только попарно. Другими словами, если заряды рождаются, то только сразу положительный и отрицательный, причем равные по модулю.

На следующем уроке мы подробнее остановимся на количественных оценках электродинамики.

Список литературы

  1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
  3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал «youtube.com» (Источник)
  2. Интернет-портал «abcport.ru» (Источник)
  3. Интернет-портал «planeta.edu.tomsk.ru» (Источник)

Домашнее задание

  1. Стр. 356: № 1–5. Касьянов В.А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа. 2010.
  2. Почему отклоняется стрелка электроскопа, если к нему прикоснуться заряженным телом?
  3. Один шар заряжен положительно, второй – отрицательно. Как изменится масса шаров при их соприкосновении?
  4. *К шару заряженного электроскопа поднесите, не дотрагиваясь, заряженный металлический стержень. Как изменится отклонение стрелки?

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *