Носители зарядов и их движение

Проводник — это вещество, в котором носители начинают перемещаться под воздействием малейшего внешнего электрического поля. Когда внешнее поле отсутствует, поля положительных ионов и отрицательных электронов компенсируют друг друга. Подробнее мы рассматривали смежный вопрос и сравнивали проводники, диэлектрики и полупроводники в статье, опубликованной ранее.

Рассмотрим металлический предмет, который находится в электрическом поле. Перемещаться под воздействием внешнего поля носители зарядов начинают из-за того, что начинают действовать кулоновские силы на носители заряда. Причем на положительные и отрицательные носители направление действия этих сил лежит в разном направлении. Движение прекращается в том случае, если сумма напряженностей внешнего и внутреннего полей станет равна нулю, то есть:

Eрез=Eвнутр+Eвнеш=0

При этом напряженность поля равна:

E=dФ/dt

Если напряженность равна нулю, то потенциал внутри тела равен какому-то постоянному числу. Это станет ясно, если выразить из этой формулы потенциал и произвести интегрирование, то есть:

Положительные ионы и электроны из всего объёма тела устремляются к его поверхности, чтобы скомпенсировать напряженность электрического поля. Тогда внутри проводника напряжённость электрического поля становится равной нулю, так как оно уравновешивается носителями зарядов с его поверхности.

Интересно! Поверхность, на которой во всех точках присутствует одинаковый потенциал, называют эквипотенциальной.

Если рассмотреть этот вопрос подробнее, то когда проводник вносят в электрическое поле, положительные ионы движутся против его силовых линий, а отрицательные электроны в том же направлении. Это происходит до тех пор, пока они не распределятся, а поле в проводнике не станет равным нулю. Такие заряды называют индуцированными или избыточными.

Важно! При сообщении зарядов проводящему материалу они распределятся так, чтобы было достигнуто состояние равновесия. Одноименные заряды будут отталкиваться и стремится в соответствии с направлением силовых линий электрического поля

Отсюда следует, что работа по перемещению носителей зарядов равна нулю, что равняется разности потенциалов. Тогда и потенциал в разных участках проводника равняется постоянному числу и не изменяется

Важно знать, что в диэлектрике чтобы оторвать носитель заряда, например электрон от атома, нужно приложить большие силы. Поэтому описанные явления в общем смысле наблюдаются на проводящих телах

Электроемкость уединенного проводника

Для начала рассмотрим понятие уединенный проводник. Это такой проводник, который удален от других заряженных проводников и тел. При этом потенциал на нем будет зависеть от его заряда.

Электроемкость уединенного проводника – это способность проводника удерживать распределенный заряд. В первую очередь, она зависит от формы проводника.

Если два таких тела разделить диэлектриком, например, воздухом, слюдой, бумагой, керамикой и т.д. – получится конденсатор. Его емкость зависит от расстояния между обкладками и их площади, а также от разности потенциалов между ними.

Формулы описывают зависимость емкости от разности потенциалов и от геометрических размеров плоского конденсатора. Подробнее узнать о том, что такое электрическая емкость, вы можете из нашей отдельной статьи.

Повторение основных свойств заряженных тел

Начнем с того, что вспомним, что было открыто советским ученым А. Ф. Иоффе (рис. 1) и американским ученым Р. Э. Милликеном (рис. 2) независимо друг от друга. Проведя ряд экспериментов, каждому из них удалось установить массу и заряд электрона, которые соответственно равны:

Рис. 1. А. Ф. Иоффе (1880-1960)

Рис. 2. Р. Э. Милликен (1868-1953) (Источник)

Модуль заряда электрона был назван элементарным зарядом, и было установлено, что такой заряд является неделимым, т. е. меньшего заряда в природе нет. Поскольку любой заряд, как из кирпичиков, состоит из элементарных зарядов, то значение любого заряда можно разделить на величину элементарного заряда без остатка.

Стоит упомянуть, что величина заряда тела характеризует его взаимодействие с другим заряженным телом и что заряды разделены на два типа: положительные и отрицательные. При этом одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Обозначение заряда: ;

Единица измерения заряда: Кл (кулон).

Замечание. Единица измерения заряда названа в честь французского физика Шарля Кулона (рис. 3), который внес большой вклад в изучение электричества.

Рис. 3. Ш. Кулон (1736-1806) (Источник)

Заряд тела имеет важное свойство: он может делиться, причем, достаточно много раз пока не дойдет до значения элементарного заряда, который неделим (на практике такая ситуация практически невозможна). Деление заряда происходит путем передачи части заряда от одного тела к другому

Для понимания процессов возникновения зарядов у тел необходимо знать устройство атома. Открытие современной модели атома принадлежит английскому ученому Э. Резерфорду (рис. 4). Согласно этой модели, которая носит название «планетарная» (рис. 5), атом состоит из массивного положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов. Поскольку количество протонов в ядре атома, находящегося в основном состоянии, равно количеству электронов, вращающихся по орбитам, то атом в целом электронейтрален.

Замечание. Заряд протона по модулю равен заряду электрона, но противоположного знака (положительный), стандартное обозначение: .

Рис. 4. Э. Резерфорд (1871-1937) (Источник)

Рис. 5. Планетарная модель атома Резерфорда (Источник)

После установления факта нейтральности атома в его основном состоянии возникает вопрос: возможно ли другое состояние атома, при котором он имеет заряд. Такое состояние возможно и возникает оно в случае отделения электронов от атома либо при присоединении избыточных электронов, в таком случае атом становится заряженным, и его называют ионом. Если атом приобрел избыточные электроны, то его заряд становится отрицательным, и его называют анионом, а если он потерял электроны, то его заряд становится положительным, и его называют катионом.

Все упомянутые нами факты и понятия используются при объяснении электрических явлений, несколько примеров которых мы ниже приведем.

Отметим то, что во множестве опытов нас не интересуют знаки зарядов, которые присутствуют у тел, а более важной характеристикой является процесс движения заряда и значение модуля заряда, т. е. его численная величина

Применение на практике

Если принять во внимание вышесказанное, то стоит отметить, что ток по кабелю протекает и распределяется, словно по внешнему диаметру трубы. Это вызвано особенностями распределения электронов в проводящем теле

Любопытно, что при протекании токов в системах с током высокой частоты наблюдается скин-эффект. Это и есть распределение зарядов по поверхности проводников. Но в этом случае наблюдается ещё более тонкий «проводящий» слой.

Что это значит? Это говорит о том, что для протекания тока аналогичной величины с сетевой частотой в 50 Гц и с частотой 50 кГц в высокочастотной цепи потребуется большее сечение токопроводящей жилы. На практике это наблюдают в импульсных блоках питания. В их трансформаторах как раз такие токи и протекают. Для увеличения площади сечения либо выбирают толстый провод, либо мотают обмотки несколькими жилками сразу.

Описанная в предыдущем разделе зависимость распределения плотности от формы поверхности на практике используется в системах молниезащиты. Известно, что для защиты от поражения молнией устанавливают один из видов молниезащиты, например громоотвод. На его поверхности скапливаются заряженные частицы, благодаря чему разряд происходит именно в него, что опять же подтверждает сказанное об их распределении.

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором простыми словами объясняется и наглядно показывается, как распределяются заряды в проводнике:

Это все, что мы хотели рассказать вам по поводу того, как происходит распределение зарядов в проводнике при протекании тока. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!

Материалы по теме:

• Закон Кулона простыми словами
• Как сделать громоотвод в частном доме
• Передача электроэнергии на расстояния без проводов

«Электрическое поле. Проводники и диэлектрики»

Электрическое взаимодействие отличается от взаимодействия тел, изучаемого механикой, прежде всего тем, что заряженные тела взаимодействуют, находясь на некотором расстоянии друг от друга. Это взаимодействие наблюдается как в вещественной среде, так и в безвоздушном пространстве. Согласно утверждению английских учёных М. Фарадея и Д. Максвелла, в пространстве, в котором находится заряженное тело, существует электрическое поле. Посредством этого поля одно заряженное тело действует на другое.

Электрическое поле материально, наряду с веществом оно представляет собой вид материи. Это означает, что электрическое поле реально, оно существует независимо от нас. Убедиться в реальности электрического поля заряженного тела можно, наблюдая его действие на другие тела.

Электрическая сила

Силу, с которой поле действует на внесённый в него электрический заряд, называют электрической силой. Предположим, что в электрическое поле, существующее вокруг некоторого заряженного тела, вносят электрический заряд. Значение силы, с которой это поле действует на заряд, зависит от расстояния между зарядами и от значения этих зарядов.

Одним из способов электризации тел является электризация через влияние. Предположим, что к шару электрометра поднесли, не касаясь его, отрицательно заряженную палочку. Электрическое поле этой палочки будет действовать на заряды, содержащиеся в электрометре. При этом свободные электроны будут отталкиваться и соберутся на конце стержня и на стрелке, отклонение стрелки покажет наличие заряда. На шаре электрометра при этом будет избыточный положительный заряд. Если палочку убрать, то стрелка электрометра вернётся в ноль.

Для того чтобы на электрометре остался заряд, его нужно заземлить, т.е. соединить с Землёй. Это можно сделать, если коснуться шара электрометра рукой. Тогда электроны, стремясь уйти как можно дальше, переместятся с электрометра в землю. Если теперь убрать руку и палочку, то стрелка покажет, что электрометр заряжен. На нём останется избыточный положительный заряд. Аналогично электрометр может приобрести отрицательный заряд, если поднести к нему положительно заряженную палочку. В этом случае при заземлении на электрометре будет избыток электронов.

Проводники и диэлектрики

В рассмотренном выше опыте электрические заряды перемещались по электрометру. По эбонитовой палочке они не перемещались, в противном случае при касании её рукой она бы разряжалась. Из этого следует, что существуют вещества, по которым заряды могут перемещаться, и вещества, по которым заряды не могут перемещаться.

Первый класс веществ называют проводниками. Хорошими проводниками являются металлы. Это связано с тем, что в металлах существуют электроны, слабо связанные с ядром атома и имеющие возможность свободно перемещаться. Если поместить проводник в электрическое поле так, как это было в рассмотренном опыте с электрометром, то произойдёт разделение зарядов. Электрическое поле в проводниках создаётся и поддерживается источником тока.

Второй класс веществ называют диэлектриками. К ним относятся эбонит, стекло, пластмассы и пр. В диэлектрике нет свободных зарядов. Если внести диэлектрик в электрическое поле, то нейтральный атом в нём примет определённую ориентацию, однако никакого перемещения зарядов не произойдет.

Схема «Проводники и диэлектрики»

Конспект урока «Электрическое поле. Проводники и диэлектрики».

Следующая тема: «Постоянный электрический ток».

Взаимодействие проводящей гильзы со стеклянной палочкой

Следует вспомнить, что с точки зрения строения атомов, среди веществ можно выделить два принципиальных типа: проводники и диэлектрики. Вещества, атомы которых сильно взаимодействуют с электронами, практически не подвержены возможности терять электроны из орбит атомов, и называются диэлектриками (непроводниками электричества). Вещества, атомы которых наоборот несильно сдерживают электроны, могут их свободно передавать другим атомам, и называются проводниками (например, металлы).

Для следующего опыта возьмем гильзу, изготовленную из фольги, и стеклянную палочку. После натирания палочки листом бумаги и поднесения ее к гильзе можно заметить, что гильза сначала притянется к поверхности палочки, а затем оттолкнется от нее. Если после этого еще раз поднести заряженную палочку к гильзе, то она уже будет только отталкиваться от нее. Объясняется такое явление аналогично с явлением взаимодействия палочки с бумажным султаном, о котором говорилось ранее. Кроме того, опыт с гильзой мы уже проводили в первом уроке темы. Приведем еще раз объяснение этого явления.

Поскольку гильза является проводником, то, оказавшись во внешнем электрическом поле, в ней наблюдается явление разделения заряда. Оно проявляется в том, что свободные электроны в материале гильзы перемещаются в сторону, которая наиболее близка к положительно заряженной палочке. В результате гильза становится разделенной на две условные области (рис. 6): одна заряжена отрицательно (там, где избыток электронов), другая – положительно (там, где недостаток электронов). Поскольку отрицательная область гильзы расположена ближе к положительно заряженной палочке, чем ее положительно заряженная часть, то будет преобладать притяжение между разноименными зарядами, и гильза притянется к палочке. После этого оба тела приобретут одноименный заряд и оттолкнутся.

Рис. 6.

Такое явление возможно благодаря свойству электронов перемещаться при воздействии на них электрического поля. Поскольку электроны изначально находятся на орбитах атомов, то основой любых электрических процессов является перераспределение зарядов в атомах.

В природе существует огромное разнообразие электрических явлений, наиболее эффектными из которых являются, пожалуй, молнии. Интересен тот факт, что, несмотря на быстрое развитие современной науки, некоторые из этих явлений оказываются еще недостаточно изученными и объясненными, например, это относится к феномену шаровой молнии. Но наука не стоит на месте, и мы упорно движемся к всеобъемлющему познанию мира, если таковое вообще возможно…

На следующем уроке мы изучим новое для нас электрическое явление – электрический ток.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Домашнее задание

1. Стр. 72: вопросы № 1–5; Стр. 73: упражнение № 12. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Для того чтобы наэлектризовать латунный стержень, его необходимо держать в резиновых перчатках. Почему?
3. Легкий пенопластовый шарик притягивается к заряженной положительно стеклянной палочке. Обязательно ли шарик заряжен отрицательно? Ответ поясните.
4. Подготовьте доклад о ключевых исторических открытиях в области электростатики.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Physbook.ru (Источник).
2. Уроки (Источник).  
3. YouTube (Источник).

Электризация трением

С электризацией трением мы встречались, когда электризовали эбонитовую палочку кусочком шерсти. Возьмем эбонитовую палочку и потрем ее шерстяной тканью – в этом случае палочка приобретет отрицательный заряд. Выясним, что вызвало возникновение этого заряда. Оказывается, что в случае тесного контакта двух тел, изготовленных из разных материалов, часть электронов переходит из одного тела на другое (рис. 3).

Рис. 3. Переход части электронов с одного тела на другое

Расстояние, на которое при этом перемещаются электроны, не превышает межатомных расстояний. Если тела после контакта разъединить, то они окажутся заряженными: тело, отдавшее часть своих электронов, будет заряжено положительно (шерсть), а тело, получившее их, – отрицательно (эбонитовая палочка). Шерсть удерживает электроны слабее, чем эбонит, поэтому при контакте электроны в основном переходят с шерстяной ткани на эбонитовую палочку, а не наоборот.

Аналогичного результата можно добиться, если расчесывать сухие волосы расческой. Отметим, что общепринятое название «электризация трением» не совсем корректная, правильно говорить «электризация прикосновением», ведь трение необходимо только для того, чтобы увеличить количество участков тесного контакта при соприкосновении тел.

Если до начала опыта шерстяная ткань и эбонитовая палочка не были заряженными, то после проведения опыта они приобретут некоторый заряд, причем их заряд будет равен по модулю, но противоположен по знаку. Это означает, что до и после проведения опыта суммарный заряд палочки и ткани будет равен 0 (рис. 4).

Рис. 4. Суммарный заряд палочки и ткани до и после проведения опыта равен нулю

В результате проведения многих опытов физики установили, что при электризации происходит не создание новых зарядов, а их перераспределение. Таким образом, выполняется закон сохранения заряда.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Лёгкий незаряженный шарик из металлической фольги подвешен на тонкой шёлковой нити. При поднесении к шарику стержня с положительным электрическим зарядом (без прикосновения) шарик

1) отталкивается от стержня 2) не испытывает ни притяжения, ни отталкивания 3) на больших расстояниях притягивается к стержню, на малых расстояниях отталкивается 4) притягивается к стержню

2. К незаряженной лёгкой металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити, поднесли, не касаясь, положительно заряженную стеклянную палочку. На каком рисунке правильно показано поведение гильзы и распределение зарядов на ней?

3. К незаряженному электрометру поднесли положительно заряженную палочку. Какой заряд приобретут шар и стрелка электрометра?

1) шар и стрелка будут заряжены отрицательно 2) шар и стрелка будут заряжены положительно 3) на шаре будет избыточный положительный заряд, на стрелке — избыточный отрицательный заряд 4) на шаре будет избыточный отрицательный заряд, на стрелке — избыточный положительный заряд

4. К двум одинаковым заряженным шарикам, подвешенным на изолирующих нитях, подносят положительно заряженную стеклянную палочку. В результате положение шариков изменяется так, как показано на рисунке (пунктирными линиями указано первоначальное положение нитей). Это означает, что

1) оба шарика заряжены положительно 2) оба шарика заряжены отрицательно 3) первый шарик заряжен положительно, а второй отрицательно 4) первый шарик заряжен отрицательно, а второй положительно

5. К подвешенному на тонкой нити отрицательно заряженному шарику А поднесли, не касаясь, шарик Б. Шарик А отклонился, как показано на рисунке. Шарик Б

1) имеет отрицательный заряд 2) имеет положительный заряд 3) может быть не заряжен 4) может иметь как положительный, так и отрицательный заряд

6. К отрицательно заряженному электроскопу поднесли, не касаясь его, диэлектрическую палочку. При этом листочки электроскопа разошлись на заметно больший угол. Заряд палочки может быть

1) только положительным 2) только отрицательным 3) и положительным, и отрицательным 4) равным нулю

7. К незаряженному изолированному проводнику АБ приблизили изолированный отрицательно заряженный металлический шар. В результате листочки, подвешенные с двух сторон проводника, разошлись на некоторый угол (см. рисунок).

Распределение заряда в проводнике АБ правильно изображено на рисунке

8. На нити подвешен незаряженный металлический шарик. К нему снизу поднесли заряженную палочку. Изменится ли сила натяжения нити, и если да, то как?

1) не изменится 2) увеличится независимо от знака заряда палочки 3) уменьшится независимо от знака заряда палочки 4) увеличится или уменьшится в зависимости от знака заряда палочки

9. Из какого материала может быть сделан стержень, соединяющий электроскопы, изображённые на рисунке?

А. Сталь Б. Стекло

1) только А 2) только Б 3) и А, и Б 4) ни А, ни Б

10. Два металлических шарика, укреплённых на изолирующей подставке, соединили металлическим стержнем. К правому шарику поднесли отрицательно заряженную палочку, затем убрали стержень и заряженную палочку. Какой заряд будет на правом и на левом шариках?

1) на правом шарике — положительный, на левом — отрицательный 2) на правом шарике — отрицательный, на левом — положительный 3) на нравом и на левом шариках — положительный 4) на правом и на левом шариках — отрицательный

11. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Вокруг электрического заряда существует электрическое поле. 2) В диэлектрике, помещенном в электрическое поле, происходит перераспределение зарядов. 3) Электрическое поле невидимо и не может быть обнаружено. 4) При электризации через влияние в проводнике происходит перераспределение зарядов. 5) Диэлектрику можно сообщить электрический заряд, поместив его в электрическое поле.

12. Электрометр с шариком на его конце помещён в поле отрицательного заряда. При этом его стрелка отклонилась на некоторый угол. Как при этом изменилось количество заряженных частиц электрометре? Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями при этом. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА A) количество протонов на шарике Б) количество электронов на шарике B) количество электронов на стрелке

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ 1) увеличилась 2) уменьшилась 3) не изменилась