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

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.