Какие заряды называют индуцированными

Где и как распределяются заряды в проводнике?

Проводником электричества является любое вещество, у которого присутствуют свободные отрицательные или положительные заряды. У металлов носителями зарядов являются электроны. Рассматривая вопрос о распределении зарядов в проводнике мы, по умолчанию, будем ссылаться на металлические тела. Но все выводы, касающиеся перераспределения зарядов в металлах, справедливы и для других типов веществ, с наличием свободных носителей положительных ионов.

Носители зарядов и их движение

При отсутствии электрического поля свободные точечные заряды пребывают в равновесии. Они осуществляют колебания, взаимодействуя между собой и с ионами такого же, либо противоположного знака. Однако картина равновесия вмиг нарушается при попадании металла в электрическое поле. На заряженном проводнике возникает электрическое смещение.

Под действием кулоновских сил происходит перераспределение электронов в металлическом теле. Перемещению зарядов способствует напряжённость поля, действующая на носители заряженных частиц разных знаков, но в разных направлениях.

В результате этого воздействия заряженные частицы устремляются в противоположные стороны. Точнее, в металлах происходит только перемещение электронов, которые скапливаются на поверхности с одной стороны.

Положительные ионы, связанные атомными силами кристаллической решётки не перемещаются, но поскольку электроны устремились в одну сторону, то на другой стороне проводника преобладают дырки (положительно заряженные ионы) (см. рис. 1). Таким образом, можно утверждать, что электроны и положительные ионы под действием электрического поля распределяются в противоположных направлениях на поверхности тел. То есть, заряды стремятся к равновесному распределению.

Рис. 1. Распределение зарядов в проводнике

Процесс распределения частиц продолжается до тех пор, пока не уравновесится их взаимодействие внешних и внутренних сил. То есть, пока сумма напряжённостей внешнего электрического поля не уравняется с внутренней напряжённостью. Данный процесс длится доли секунды. Если плотность энергии не меняется, а металл остаётся в спокойствии, то равновесие сил является константой.

Учитывая направления внешних векторов напряженности и внутренних сил, действующих на проводник, можно записать:

Результирующий вектор напряженности

Нулевое значение напряжённости поля означает, что внутренний потенциал тела компенсируется действием внешних сил:

Если в электрическое поле поместить металлический шар, то все статическое электричество на его поверхности будет иметь одинаковый потенциал. Такие поверхности получили название эквипотенциальных поверхностей. Заряды, скопившиеся под действием сил напряжённости поля, называются индуцированными или избыточными. Наличие избыточных зарядов характерно для всех типов проводников, оказавшихся в электрическом поле.

Рассуждения, приведённые выше, справедливы также для веществ со свободными ионами разных знаков (растворы солей и кислот). В результате такого распределения заряды также располагаются на противоположных концах токопроводящего тела. При этом равенство, записанное выше, сохраняется.

Рис. 2. Выводы

Ещё одно важное свойство проводников: при сообщении им дополнительных зарядов, собственные заряженные частицы распределяются так, чтобы восстановилось равновесие. Например, при добавлении отрицательных зарядов, последние будут противодействовать избыточным электронам, стремясь занять их место на поверхности тела.

Если же создать условия для отвода избыточных заряженных частиц (при сохранении притока новых), например, заземлить кондуктор, то возникнет электрический ток. Причём перемещение заряженных частиц будет проходить по поверхности металла, но не внутри его, как можно было бы ожидать.

Электроемкость уединенного проводника

Рассмотрим отдельно взятый проводник, удалённый от других заряженных тел. Такие токопроводящие тела называют уединёнными. В результате электростатической индукции на поверхности уединённого проводника возникает статическое электричество. Количество индуцированных зарядов зависит от уровня напряжённости внешнего поля.

Потенциал на таком проводнике зависит от его заряда (φ): Q=Cφ, откуда

С = Q/φ , где C – электроёмкость.

Ёмкостью уединённого проводника называют заряд, сообщение которого изменяет потенциал этого тела на единицу. На ёмкость влияет размер и форма токопроводящего тела. Но ёмкость не зависит от агрегатного состояния и на неё не влияет форма и размер внутренних полостей.

Если уединённому проводнику сообщить некий дополнительный заряд, то в течение некоторого времени он будет сохраняться. Количество электричества, которые способен удержать уединённый проводник, зависит от его формы и площади поверхности. Наибольшую ёмкость имеют сферические образования, так как площадь поверхности сферы на единицу объёма самая большая.

Два уединённых проводника разделённые диэлектриком образуют конденсатор. При этом электроемкость конденсатора C_конд = Q/(φ₁ – φ₂), где ( φ₁ – φ₂ ) разница потенциалов между обкладками. Индуцированные заряды с обкладок заряженного конденсатора можно снять на нагрузку, подключённую к выводам обкладок.

Распределение зарядов и форма тела

Как было замечено выше, распределение зарядов зависит от формы тела. Больше всего статического электричества собирается на выступах, особенно на острых концах (см. рис. 3, 4).

Рис. 3. Форма тела и распределение статического электричества Рис. 4. Распределение статического электричества на кондукторе

Как видно из рисунка 4 плотность распределения зарядов на вогнутых поверхностях минимальна. Электростатическое поле сплошных и полых проводников не отличается, если их поверхности идентичны. Другими словами все токопроводящие тела с одинаковыми поверхностями обладают одинаковыми поверхностными плотностями.

На сферических поверхностях статическое электричество распределяется равномерно. Ёмкость конденсатора (сферического) вычисляют по формуле:

Емкость сферического конденсатора

где R₁ и R₂ – внешний и внутренний радиусы сферического конденсатора.

Распределение статического электричества на сфере иллюстрирует рисунок 5. Обратите внимание на то, что внутри сферического тела, как впрочем, и любого другого, заряды отсутствуют: вектор E=0, φ=const.

Рис. 5. Распределение заряженных частиц на сфере

Вы, наверно, слышали о клетке Фарадея. Человек, находящийся в замкнутом пространстве из токопроводящего материала, то есть в клетке, не ощущает на себе влияния мощных разрядов. Статическое электричество стекает по поверхностям стенок клетки на землю, и не могут попасть внутрь клетки.

Индуцированный заряд

Электростатическая индукция — явление наведения собственного электростатического поля, при действии на тело внешнего электрического поля. Явление обусловлено перераспределением зарядов внутри проводящих тел, а также поляризацией внутренних микроструктур [1] у непроводящих тел. Внешнее электрическое поле может значительно исказиться вблизи тела с индуцированным электрическим полем.

Содержание

Электростатическая индукция в проводниках

Перераспределение электронов в хорошо проводящих металлах при действии внешнего электрического поля происходит до тех пор, пока заряды практически полностью не скомпенсируют внешнее электрическое поле внутри тела. При этом на противоположных сторонах [2] проводящего тела появятся противоположные наведённые(индуцированные) заряды.

Электростатическая индукция в диэлектриках

Диэлектрики в электростатическом поле поляризуются.

Применение

Наиболее массовое применение находит основанная на данном явлении электростатическая защита приборов и соединительных цепей.

Данный эффект используется в ряде приборов, например в генераторе Ван де Граафа.

Ссылки

Примечания

1. ↑ атомов, молекул, кристаллических решёток и т.п.
2. ↑ относительно внешнего электрического поля

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Индуцированный заряд» в других словарях:

индуцированный заряд — наведённый заряд — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы наведённый заряд EN induced chargeinductive … Справочник технического переводчика

индуцированный заряд — indukuotasis krūvis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. induced charge vok. induzierte Ladung, f; Influenzladung, f rus. индуцированный заряд, m; наведенный заряд, m pranc. charge induite, f … Fizikos terminų žodynas

индуцированный электрический заряд — indukuotasis krūvis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dažniausiai tai tam tikroje terpės vietoje elektromagnetinio lauko ar kitokio poveikio sukurtas elektros krūvis. atitikmenys: angl. induced electric charge vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

индуцированный электрический заряд — indukuotasis elektros krūvis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. induced electric charge vok. induzierte elektrische Ladung, f rus. индуцированный электрический заряд, m; наведённый электрический заряд, m pranc. charge électrique induite … Fizikos terminų žodynas

наведенный заряд — indukuotasis krūvis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. induced charge vok. induzierte Ladung, f; Influenzladung, f rus. индуцированный заряд, m; наведенный заряд, m pranc. charge induite, f … Fizikos terminų žodynas

наведенный электрический заряд — indukuotasis krūvis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dažniausiai tai tam tikroje terpės vietoje elektromagnetinio lauko ar kitokio poveikio sukurtas elektros krūvis. atitikmenys: angl. induced electric charge vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

наведённый электрический заряд — indukuotasis elektros krūvis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. induced electric charge vok. induzierte elektrische Ladung, f rus. индуцированный электрический заряд, m; наведённый электрический заряд, m pranc. charge électrique induite … Fizikos terminų žodynas

Вольта Алессандро — (Volta) (1745 1827), итальянский физик и физиолог, один из основоположников учения об электричестве. Создал первый химический источник тока (1800, вольтов столб). Открыл контактную разность потенциалов. * * * ВОЛЬТА Алессандро ВОЛЬТА (Volta)… … Энциклопедический словарь

Influenzladung — indukuotasis krūvis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. induced charge vok. induzierte Ladung, f; Influenzladung, f rus. индуцированный заряд, m; наведенный заряд, m pranc. charge induite, f … Fizikos terminų žodynas

charge induite — indukuotasis krūvis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. induced charge vok. induzierte Ladung, f; Influenzladung, f rus. индуцированный заряд, m; наведенный заряд, m pranc. charge induite, f … Fizikos terminų žodynas

Индуцированный заряд

Рассмотрите индуцированный заряд в электростатической индукции. Как выглядит явление индукции электростатического поля, проводники и диэлектрики, заряд.

Электростатическая индукция – перераспределение зарядов внутри объекта, выступающее реакцией на присутствие близкого заряда.

Задача обучения

• Сравните электростатические индукционные процессы в проводниках и диэлектриках.

Основные пункты

• Если рядом с незаряженной частью вещества появилась заряженная, то она способна создать перераспределение заряда в нейтральном материале. Это один из типов индукции.
• Если контактируют заряженный и незаряженный объекты, то они создают заряд, объединяющий промежуток между ними, а заряженный повышает свой заряд. Это еще один тип индукции.
• Способные реагировать на индукторы субъекты включают проводники и диэлектрики. В первом варианте свободный поток зарядов приводит к сильной поляризации, а во втором – сила относительно слабая.

Термины

• Диэлектрик – электрически изолирующий или непроводящий материал, рассматриваемый из-за его электрической восприимчивости.
• Разряд – высвобождение накопленного заряда.
• Индуктор – пассивное устройство, которое приводит индуктивность в электрическую цепь.

Электростатическая индукция – перераспределение заряда внутри объекта. Это реакция на соседний заряд. Единица материи обычно обладает равными частями положительного и отрицательного зарядов, распределенных равномерно по объему. Так что, можно говорить, что здесь нет чистого заряда.

Если заряженная часть вещества расположена близко к незаряженной, то приводит к перераспределению заряда в нейтральном материале. Тогда электроны в нейтральном перемещаются в соответствии с зарядом соседнего заряженного тела. При положительном знаке индуктора, электроны устремятся к нему, делая незаряженный объект еще более отрицательным.

Положительный конец электростатического генератора движется рядом с незаряженным латунным цилиндром, заставляя его поляризоваться по мере того, как левый конец приобретает положительный заряд, а правый – отрицательный

Если заряженные и незаряженные тела контактируют, то создают разряд, объединяющий промежуток между ними. Основываясь на знаке заряда индуктора, электроны перейдут или уйдут из ранее незаряженного объекта. Общий заряд сберегается, а индуктор будет уменьшаться по мере передачи заряда объекту.

Субъекты, способные реагировать на индукторы, включают проводники и диэлектрики. В первом варианте поток зарядов создает сильную поляризацию. А во втором – сила относительно слабая.

Электризация под влиянием заряженного тела

Электрический заряд можно сообщить электрически нейтральному телу, даже не прикасаясь к нему, а просто располагая заряженное тело неподалеку.

Такой способ наведения заряда называется электростатической индукцией. Ее несложно продемонстрировать в проводниках.

Перегруппировка зарядов

С помощью этого способа можно сгруппировать заряды на противоположных частях проводника.

На ближайшей к заряженному телу части проводника соберутся заряды, имеющие противоположный по отношению к заряженному телу знак (рис. 1).

А на удаленной от заряженного тела части проводника, будут располагаться заряды, знак которых совпадает со знаком заряженного тела.

Если заряженное тело удалить, заряды на проводнике распределятся равномерно и проводник опять станет электрически нейтральным (рис. 2).

Суть электростатической индукции

Вокруг заряженных тел существует электрическое поле. Это поле может воздействовать на другие тела, находящиеся неподалеку. В этих телах возникает собственное электростатическое поле в ответ на воздействие поля внешнего.

Заряды, распределившиеся по частям проводника, называются индуцированными.

Электростатическая индукция – это процесс распределения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля.

Под действием внешнего поля:

1. в проводниках заряды перераспределяются;
2. а в диэлектриках происходит поляризация;

Можно ли сделать так, чтобы части проводника остались заряженными после удаления заряженного тела? Да.

Как оставить на теле заряд после удаления влияющего тела

Существуют два способа добиться такого эффекта.

Первый способ:

Не удаляя заряженное тело, дать стечь отрицательному заряду с проводника (рис. 3).

Проводник в целом окажется заряженным положительно. Этот заряд останется на проводнике после того, как заряженное тело будет от него удалено.

Второй способ:

Не удаляя заряженное тело, разрезать проводник на две части – приближенную к заряженному телу и удаленную от него (рис. 4).

Эти части будут иметь противоположные и численно равные заряды. После удаления заряженного тела они останутся на половинках проводника.

Эксперимент – разделение зарядов

Опыт, описанный здесь, можно применять для демонстрации разделения зарядов в проводниках.

Для проведения эксперимента понадобятся:

• два одинаковых электрометра;
• проводник, которым эти электрометры можно соединить;
• предмет из диэлектрика, например, пластиковая линейка, или кусок оргстекла, эбонита и т. п.

Чтобы разделить заряды, необходимо выполнить следующую последовательность действий.

Подготовка приборов

Расположим два незаряженных электрометра на одной прямой, на небольшом расстоянии (к примеру, 0,5 м) один от другого. Располагать их нужно так, чтобы они находились перед наблюдателями, один немного левее, а второй – правее (рис. 5).

Чаши электрометров соединим куском металлической проволоки, или металлической линейкой. Желательно, чтобы в средней части проводника был изолированный участок. Он пригодится, когда потребуется разъединить заряженные приборы.

Конструкция, состоящая из двух чаш, соединительного проводника и стержней электрометров после соединения превращается в единый проводник.

Подготовка влияющего тела

Теперь необходимо подготовить (наэлектризовать) тело, которое будет влиять на электрометры и соединяющий их проводник.

Можно взять два диэлектрика и произвести их электризацию трением (рис. 6). К примеру, линейку из оргстекла можно натереть смятым сухим тетрадным листом бумаги, либо листом формата А4.

Начинаем эксперимент

Теперь нужно поднести наэлектризованное тело к одному из электрометров (рис. 7).

На рисунке наэлектризованное тело имеет отрицательный заряд, это обозначено знаками «минус».

Свободные электроны, находящиеся в проводнике, могут передвигаться по нему. Поэтому, некоторое количество электронов из ближайшего к заряженному телу электрометра перейдет по соединительному проводнику в дальний электрометр.

По закону сохранения заряда, сколько электронов ушло из одного конца проводника, столько же перейдет в другой его конец.

Приборы разъединяем

Если, не удаляя заряженное тело, убрать проводник, соединяющий приборы, то оба электрометра останутся заряженными (рис. 8). Разъединяя приборы, проводник нужно аккуратно приподнять с помощью изолятора, например – сухой деревянной линейки.

Убираем влияющее тело

Наконец, можно удалить заряженное тело, создавшее наведенный заряд (рис. 9).

Как видно из рисунка, на приборах присутствуют противоположные заряды. Для поддержания зарядов теперь не требуется наличие поблизости тела, вызвавшего электростатическую индукцию.

Выводы

В теле, помещенном во внешнее электрическое поле, появляется собственное электростатическое поле. Такое явление называют электростатической индукцией. Во время этого процесса в проводниках перераспределяются заряды, а диэлектрики поляризуются.