Проводники в стационарном электрическом поле

Проводники в стационарном поле

Проводники отличаются от изоляторов (или диэлектриков) тем, которые имеют свободные подвижные заряды в заметном количестве. Эти заряды могут передвигаться в проводнику под действием внешнего электрического поля. Если проводник поместить во внешнее электрическое поле, то эти свободные заряды начинают передвигаться в пространстве и это передвижение заканчивается тогда, когда система свободных и неподвижных зарядов в проводнику придет к равновесию.

Свободные заряды в равновесном состоянии равномерно распределены на поверхности проводника, который находится в электрическом поле. Поверхность проводника, понятно, является эквипотенциальной поверхностью, то есть все точки поверхности имеют одинаковый потенциал. Если бы это было не так, на поверхности происходило бы движение свободных зарядов (от мест с высшим потенциалом к местам, где он ниже). Однако, такое движение несовместимо с равновесным состоянием системы, следовательно его нет, то есть все точки поверхности проводника имеют одинаковый потенциал.

Силовые линии электростатического поля начинаются на позитивных зарядах, а заканчиваются на негативных. Если свободными носителями заряда в металлах являются негативно заряженные электроны, и в равновесии часть из них равномерно распределена на поверхности проводника, то это значит, что силовые линии внешнего электростатического поля заканчиваются на поверхности металла (проводника) и не проходят за пределы поверхности, в металл. То есть в случае проводника, силовые линии заканчиваются на индуктируемых зарядах.

Кроме того, силовые линии электрического поля всегда нормальны к поверхности металла. Следовательно, если в проводнике есть полость, то при равновесном распределении индуктируемых зарядов полет внутри нее будет равняться нулю. В пространстве, ограниченном из всех сторон металлической поверхностью, электрического поля нет, оно отсутствует, независимо от того или есть в этом ограниченном пространстве вещество, или нет. На этом базируется электростатическая защита, когда некоторый прибор (особенно чувствительный измерительный) необходимо защитить от внешних электростатических полей.

Прибавим несколько фактов. При исследовании распределения зарядов на проводнике сложной формы, оказалось, что поверхностная плотность заряда разная в разных точках поверхности: она равняется нулю в углублениях, принимает наибольшее значение на остриях, имеет промежуточные значения в точках боковых поверхностей. Следовательно, и напряженность поля у проводников сложной формы также неодинакова. Она особенно большая около участков с малыми радиусами кривизны.

Поэтому напряженность поля вблизи острия может достигать настолько больших значений, что может происходить ионизация молекул газа, который окружает проводник. Ионы газа противоположного знаку заряда в веществе острия притягиваются к проводнику и нейтрализуют его заряд. А ионы того же знака, что знак заряда проводника, начинают двигаться от проводника и захватывают с собой нейтральные молекулы газа. В результате происходит заметное движение газа, которое зовется электрическим ветром. Заряд проводника уменьшается, он, будто стекает из острия и уносится ветром.
Поэтому такое явление зовут стеканием заряда из острия. Для предотвращения стекания зарядов у приборов, которые работают под значительными напряжениями, металлические части делают округленными, а концы металлических стержней обеспечивают гладкими шариками.