Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить, то на заряды проводника будет действовать электростатическое поле, в результате чего они начнут перемещаться. Перемещение зарядов (ток) продолжается до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в нуль. Это происходит в течение очень короткого времени. В самом деле, если бы поле не было равно нулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии. Итак, напряженность поля во всех точках внутри проводника равна нулю: .jpg)
Отсутствие поля внутри проводни- ка означает, согласно (85.2), что потенциал во всех точках внутри проводника постоянен (ф = const), т.е. поверхность проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной (см. § 85). Отсюда же следует, что вектор напряженности поля на внешней поверхности проводника направлен по нормали к каждой точке его поверхности. Если бы это было не так, то под действием касательной составляющей Ё заряды начали бы по поверхности проводника перемещаться, что, в свою очередь, противоречило бы равновесному распределению зарядов. Если проводнику сообщить некоторый заряд Q, то некомпенсированные заряды располагаются только па поверхности проводника. Это следует непосредственно из теоремы Гаусса (89.3), согласно которой заряд Q, находящийся внутри проводника в некотором объеме, ограниченном произвольной замкнутой поверхностью,.jpg)
так как во всех точках внутри поверхности D = 0. Найдем взаимосвязь между напряженностью Е поля вблизи поверхности заряженного проводника и поверхностной плотностью а зарядов на его поверхности. Для этого применим теорему Гаусса к бесконечно малому цилиндру с основаниями AS, пересекающему .jpg)
границу «проводник —диэлектрик». Ось цилиндра ориентирована вдоль вектора Ё (рис. 143). Поток вектора электрического смещения через внутреннюю часть цилиндрической поверхности равен нулю, так как внутри проводника Ёх (а следовательно, и Д ) равен нулю, поэтому поток вектора D сквозь замкнутую цилиндрическую поверхность определяется только потоком сквозь наружное основание цилиндра. Согласно теореме Гаусса (89.3), этот поток (DAS) равен сумме зарядов (Q~GAS), охватываемых поверхностью: DAS = oAS, т.е. .jpg)
или
.jpg)
где е — диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник. Таким образом, напряженность электростатического поля у поверхно-ти проводника определяется поверхностной плотностью зарядов. Можно показать, что соотношение (92.2) задает напряженность электростатического поля вблизи поверхности проводника любой формы. Если во внешнее электростатическое поле внести нейтральный проводник, то свободные заряды (электроны, ионы) будут перемещаться: положительные — по полю, отрицательные — против поля (рис. 144, а). На одном конце проводника будет скапливаться избыток положительного заряда, на другом — избыток отрицательного. Эти заряды называются индуцированными. Процесс будет происходить до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника — перпендикулярными его поверхности (рис. 144, б). Таким образом, нейтраль- ный проводник, внесенный в электро- статическое поле, разрывает часть ли- ний напряженности; они заканчивают- ся на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положи- тельных. Индуцированные заряды рас- пределяются на внешней поверхности проводника. Явление перераспределе- ния поверхностных зарядов на провод- нике во внешнем электростатическом поле называется электростатиче- ской индукцией. Из рис. 144, 6 следует, что индуци- рованные заряды появляются на про- воднике вследствие смещения их под действием поля, т. е. ст является поверх- ностной плотностью смещенных заря- дов. По (92.1), электрическое смеще- ние D вблизи проводника численно равно поверхностной плотности сме- щенных зарядов. Поэтому вектор D получил название вектора электриче- ского смещения. Так как в состоянии равновесия внутри проводника заряды отсутству- ют, то создание внутри него полости не повлияет на конфигурацию расположе- ния зарядов и тем самым на электроста- тическое поле. Следовательно, внутри полости поле будет отсутствовать. Если теперь этот проводник с полостью за- землить, то потенциал во всех точках полости будет нулевым, т.е. полость полностью изолирована от влияния внешних электростатических полей. На этом основана электростатическая защита — экранирование тел, напри- мер измерительных приборов, от влия- ния внешних электростатических по- лей. Вместо сплошного проводника для защиты может быть использована гус- тая металлическая сетка, которая, кста- ти, является эффективной при наличии не только постоянных, но и переменных электрических полей. .jpg)
Свойство зарядов располагаться на внешней поверхности проводника используется для устройства электростатических генераторов, предназначенных для накопления больших зарядов и достижения разности потенциалов в несколько миллионов вольт. Электростатический генератор, изобретенный американским физиком Р. Вандер-Граафом (1901 — 1967), состоит из шарообразного полого проводника 1 (рис. 145), укрепленного на изоляторах 2. Движущаяся замкнутая лента 3 из прорезиненной ткани заряжается от источника напряжения с помощью системы остриев 4, соединенных с одним из полюсов источника, второй полюс которого заземлен. Заземленная пластина 5 усиливает стекание зарядов с остриев на ленту. Другая система остриев б снимает заряды с ленты и передает их полому шару, и они переходят на его .jpg)
внешнюю поверхность. Таким образом, сфере передается постепенно большой заряд и удается достичь разности потенциалов в несколько миллионов вольт. Электростатические генераторы применяются в высоковольтных ускорителях заряженных частиц, а также в слаботочной высоковольтной технике.
