Електричне поле.
Простір навколо електрично-заряджених частинок і тіл характеризується певними фізичними властивостями. Наприклад, на довільну заряджену частинку, внесену в цей простір, діє кулонівська сила, значення якої може змінюватись при переході від точки до точки.
У механіці при вивченні гравітаційної взаємодії тіл зазначалося, що взаємодія між тілами передається через поле тяжіння. Аналогічно у процесі вивчення взаємодії електричних зарядів виникали питання: як передається дія від одного до іншого заряду; чи відбуваються які-небудь зміни в навколишньому просторі за наявності тільки одного заряду? Для з'ясування цих питання розвивалися дві різні за своїм змістом концепції: далеко- і близькодії. Згідно із першою концепцією вважалося, що дія від одного заряду до іншого передається миттєво без участі будь-якого матеріального носія цієї взаємодії і що за наявності тільки одного заряду ніяких змін у навколишньому просторі не відбувається. Згідно із концепцією близькодії взаємодія між нерухомими зарядами передається через електричне поле, які оточує ці заряди, із скінченою швидкістю від одних точок поля до інших. Концепція далеко дії не відповідала дійсності і була відкинута після відкриття та дослідження електромагнітного поля. Отже, за сучасними поглядами матеріальним носієм взаємодії нерухомих зарядів є електричне поле. Електричне поле- це матеріальна складова електромагнітного поля, яке діє на заряд, зумовлене зарядами або змінним у часі магнітним полем. Основною ознакою наявності електричного поля є те, що на будь-який заряд, внесений у це поле, діє сила. При вивченні магнітної взаємодії струмів або постійних магнітів аналогічно прийдемо до поняття магнітного поля. Також буде показано, що електричне і магнітне поле є окремими проявами електромагнітного поля, яке характеризується енергією, масою, імпульсом, тобто всіма атрибутами матерії. Отже, електромагнітне поле є матеріальним, існує у просторі і часі, і через нього здійснюється електромагнітна взаємодія. Поле реальне так само, як і речовина, і є одним із видів матерії.
Розкриття властивостей фізичних полів- одне із найважливіших завдань фізики.
Ми поки що розглядатимемо стаціонарні електричні поля, тобто такі, що не змінюються з часом і створюються нерухомими електричними зарядами або постійними струмами. Такі поля, як зазначалося, називаються електростатичними. При вивченні електростатичних полів обидві концепції дають однакові результати. Проте вивчення явищ, пов'язаних з рухом електричних зарядів, виявило непридатність концепції далеко дії.
Розподіл зарядів на поверхні провідника
. До провідників належать речовини, які добре проводять електричний струм. Характерною особливістю провідників є наявність у них вільних носіїв зарядів: у металах- електронів, в електролітах-іонів. Якщо в провіднику створити електричне поле, то на кожний із носіїв заряду діє сила F=g E, що зумовлює напрямлений рух їх, тобто виникнення електричного струму.
Зарядимо тіло і розглянемо розподіл електричних зарядів на твердих металевих провідниках. На основі теореми Гаусса можна сказати, що всередині зарядженого однорідного провідника об'ємна густина заряду дорівнює нулеві .Справді, у стані рівноваги з умови відсутності напрямленого руху вільних зарядів у середині зарядженого однорідного провідника можна зробити висновок про відсутність там електричного поля (Е=0), а з рівності divЕ= К0 випливає також, що всередині провідника =0, тобто позитивні і негативні заряди взаємно компенсуються. З цього можна зробити висновок, що наданий провідникові надлишковий електричний заряд розміщується лише на зовнішній поверхні. Товщина поверхневого шару, в якому зосереджені електричні заряди є наскільки малою, що його можна вважати геометричною поверхнею і характеризувати розподіл зарядів на провідниках поверхневою густиною . Як уже зазначалося, поверхня зарядженого провідника є еквіпотенціальною, а силові лінії напруженості поля в кожній точці провідника напруженості по нормалі до його поверхні.
Про відсутність електричного поля і об'ємних зарядів усередині однорідних провідників можна судити також із дослідів. Якщо в середині провідника зробити порожнину, то рівноважний розподіл зарядів на його поверхні не змінюється, а його напруженість поля в середині порожнини і на його стінках дорівнюватиме нулеві. Досліди з вимірювання характеристик поля всередині зарядженої порожнистої провідної посудини вперше провів М. Фарадей за допомогою електроскопа. Ці вимірювання показали, що поля всередині порожнини немає. Отже, всередину замкненої провідної поверхні електростатичне поле не проникає і всередині однорідних провідників об'ємних зарядів немає. Цю особливість провідників використовують для електростатичного захисту чутливих приладів та пристроїв.
Крім того, М. Фарадей дослідно довів можливість повної передачі зарядів від одного провідного тіла до іншого. Для цього в одному із тіл роблять внутрішню порожнину і туди поміщають заряджене тіло. Від зарядженого тіла заряд повністю переходить до тіла з порожниною і розподіляється на його зовнішній поверхні. На внутрішніх поверхнях порожнини провідників =0. Цей процес можна повторити багато разів і, таким чином, надати провідному тілу з порожниною теоретично будь-якого заряду. Практично значення заряду обмежується лише його стіканням у навколишній простір внаслідок іонізації повітря.
Цей спосіб накопичення зарядів одного знака лежить в основі дії електростатичного генератора-пристрою, який призначений для одержання високої постійної напруги завдяки механічному переносу електричних зарядів.
Розрізняють електростатичні генератори з діелектричним транспортером зарядів із провідним транспортером у вигляді металевих стрижнів або циліндрів, розділених ізоляторами. Діелектричні транспортери виготовляють або у вигляді циліндрів чи дисків(роторні), або у вигляді гнучкої стрічки(генератори Ван де Граафа).
У 1931р. американський фізик Р. Ван де Грааф (1901-1967) виготовив електростатичний генератор (рис.1). Він складався з високовольтного електрода у вигляді пустотілої кулі діаметром кілька метрів, який закріплювався на ізольованих колонах 3,і діелектричної рухомої стрічки (транспортера) 4. Стрічка заряджається від щіток 5 і, рухаючись внаслідок обертання шківа 6, переносить заряд у середину пустотілої кулі 1, де й передає його крізь щітки 2.
З протилежного боку стрічки навпроти щіток 5 поміщають металеву заземлену пластинку для підсилення стікання зарядів із щіток 5 на стрічку 4.
Сила електричного струму, який переноситься транспортером, обчислюється за формулою:
де - поверхнева густина зарядів; - ширина транспортера; - його швидкість. Якщо біля високовольтного електрода 1 на транспортер наносяться заряди протилежного знака, то сила струму збільшується у 2 рази.
Перші зразки генераторів Ван де Графа мали відкриту конструкцію і давали змогу одержувати потенціали до 1МВ. За допомогою сучасних удосконалених генераторів одержують напругу до 20МВ, а ККД електростатичних генераторів становить 15-20%. Електростатичні генератори використовують у прискорювачах заряджених частинок і в слабкострумовій високовольтній техніці.
Поверхня зарядженого провідника при рівновазі є еквіпотенціальною, однак поверхнева густина заряду залежить від кривизни. Досліди, наприклад із сіткою
Кольбе, показують, що поверхнева густина заряду є більшою там, де більша кривизна поверхні. Доведемо це на прикладі двох заряджених куль радіусами R1 і R2, з'єднаних між собою тонким провідником. Після встановлення рівноваги заряди на кулях розподіляються так, що їхні потенціали будуть однаковими, тобто .Оскільки
Отже, поверхнева густина зарядів на кулях обернено пропорційна їхнім радіусам кривизни, тобто де кривизна поверхні зарядженого тіла є більшою, там і густина заряду більша. Оскільки біля поверхні зарядженого провідника , то в місцях з великою кривизною (вістря) і відповідно набувають дуже великих значень. Це сприяє стіканню електричних зарядів із металевих вістер. Стікання зарядів з вістер використовують для побудови блискавковідводів. У високовольтних лініях електропередач стікання зарядів із загострених частин проводів призводять до значних втрат енергії.
Провідники в електричному полі
У нейтральних провідниках завжди є однакова кількість позитивних і негативних зарядів. У провідниках першого ряду (металах) наявні вільні електрони, які перебувають у безперервному хаотичному русі в межах провідника. При внесенні такого провідника в зовнішнє електричне поле (наприклад, однорідне з напруженістю ) на позитивні і негативні заряди діятиме сила : позитивні заряди ця сила зміщуватиме в напрямі , а негативні - у протилежному напрямі. Оскільки позитивні заряди в металах – це іони, закріплені у вузлах кристалічної градки, то вони можуть переміщатись лише на мікроскопічні відстані. Вільні електрони, навпаки, переміщатимуться проти напряму на макроскопічній відстані. Внаслідок цього в металі відбудеться перерозподіл електричних зарядів: ближня грань у напрямі поля зарядиться негативно, а дальня збіднюється електронами і зарядиться позитивно. Явище перерозподілу електричних зарядів у провіднику під дією зовнішнього електричного поля і виникнення внаслідок цього електризації провідника називають електростатичною індукцією або електризацією через вплив. Індуковані на протилежних у напрямі поля гранях провідника різнойменні заряди створюють у середині нього внутрішнє електричне поле, вектор напруженості якого напрямлений протилежно до напряму вектора зовнішнього поля. Переміщення вільних електронів у металі під дією продовжуватиметься доти, доки не настане взаємна компенсація зовнішнього і наведеного полів, тобто стануть рівними за абсолютним значенням .Густина індукованих зарядів на поверхні провідника прямо пропорційно залежить від напруженості зовнішнього електричного поля.
Явище електростатичної індукції можна використати для того, щоб зарядити тіла зарядами протилежного знака. Для цього два провідних тіла А і В з'єднують між собою тонким провідником і систему розміщують вздовж зовнішнього поля. На ближньому в напрямі поля тіла виникає негативний заряд, на дальньому - позитивний. Якщо роз'єднати тіла, а потім зняти зовнішнє електричне поле, то дальнє тіло залишиться зарядженим позитивно (на цьому виявиться нестача електронів), а ближнє буде зарядженим негативно (надлишок електронів).
