Глава 19. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

В школьном курсе физики есть раздел, посвященный электрическим свойствам проводников и диэлектриков и их поведению во внешнем электрическом поле. В необходимый минимум знаний по этому вопросу входит понимание явления электростатической индукции и его механизмов в проводниках и диэлектриках, а также умение находить в простейших ситуациях индуцированные в проводниках и диэлектриках заряды. Кратко рассмотрим эти вопросы.

В состав атомов входят заряженные частицы (электроны и протоны). Поэтому любое тело содержит огромное количество зарядов. Число протонов и число электронов в составе незаряженного тела одинаково, заряженное тело содержит разные количества протонов и электронов.

В зависимости от того, являются ли заряды внутри тела свободными или связанными, все вещества делятся на проводники, диэлектрики (или изоляторы) и полупроводники. В проводниках электрические заряды могут свободно перемещаться, и потому такие тела проводят электрический ток. К проводникам относятся все металлы, в которых носителями заряда являются «оторвавшиеся» от атомов валентные электроны (свободные электроны), а также растворы электролитов (кислот, щелочей и солей), в которых перемещаются положительные и отрицательные ионы.

В диэлектриках все заряды «привязаны» к покоящимся атомам и не могут перемещаться. Поэтому диэлектрики не проводят электрический ток. К диэлектрикам, например, относятся: газы, пластмассы, эбонит, резина, дистиллированная вода.

Вещества, занимающие по своей проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, называются полупроводниками. Типичными полупроводниками являются кристаллические германий и кремний. В полупроводниках свободные носители заряда есть, но их мало. Не следует, однако, думать, что полупроводники являются просто «плохими» проводниками или «плохими» изоляторами. Промежуточная проводимость полупроводников приводит ко многим необычным их свойствам, которые отличают полупроводники как от проводников, так и от диэлектриков. С этими свойствами связаны многие применения полупроводников в технике.

При помещении проводника в электрическое поле свободные носители заряда внутри проводника перемещаются и на его поверхности образуются области положительного и отрицательного заряда. Такое явление разделения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией или поляризацией проводника. В результате поляризации электрическое поле в пространстве изменяется и становится равным сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов. Можно доказать, что перемещение зарядов в проводнике будет происходить до тех пор, пока суммарное поле внутри проводника не станет равным нулю, а на его поверхности — перпендикулярным поверхности.

Такое свойство проводника позволяет находить индуцированные на его поверхности заряды. Для этого нужно ввести эти заряды как некоторые неизвестные величины, затем найти поле, создаваемое этими зарядами и суммарное поле, равное векторной сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов, приравнять суммарное поле внутри проводника к нулю. Решение полученного уравнения и позволит найти индуцированные заряды.

В диэлектрике поляризация также происходит, однако механизмы этого явления — другие. Как правило, молекулы диэлектрика являются полярными, т.е. какая-то область молекулы заряжена положительно, какая-то — отрицательно. При помещении диэлектрика во внешнее поле молекулы поворачиваются, и на определенные участки поверхности диэлектрика «выходят» своими положительными областями, на другие — отрицательными. В результате на поверхности диэлектрика образуются области положительного и отрицательного заряда, но при разрезании диэлектрика (в отличие от разрезания проводника) получившиеся части будут незаряженными. Благодаря поляризации диэлектрика поле в нем ослабляется, но не становится равным нулю. Характеристика диэлектрика , которая показывает, во сколько раз ослабляется поле в нем, называется диэлектрической проницаемостью.

Рассмотрим в рамках данного фактического материала задачи первой части.

В задаче 19. 1.1 из нижеперечисленного списка веществ проводником электрического тока является металл — свинец (ответ 3).

В задаче 19.1.2 диэлектриком является мел (ответ 1; алюминий и железо — металлы, т.е. проводники тока, в водопроводной воде растворены различные соли в таком количестве, что она является прекрасным проводником электрического тока).

Как отмечалось ранее, при внесении металлического тела в электрической поле (задача 19.1.3) на поверхности тела индуцируются электрические заряды, сумма которых равна нулю. Все остальные предложенные ответы неверны: для приобретения электрического заряда телу нужно сообщить или забрать у него электроны, заряды не могут индуцироваться в объеме проводника — их невозможно там удержать.

Взаимодействие между зарядом и незаряженным диэлектрическим телом возникает (задача 19.1.4), причем это взаимодействие –— притяжение (ответ 2). Это взаимодействие возникает благодаря поляризации: из-за ориентации молекул диэлектрика часть поверхности тела, обращенная к заряду, приобретает заряд противоположного знака, дальняя от заряда часть поверхности тела — заряд того же знака (см. рисунок).

Поэтому возникнет две силы — притяжение близких участков и отталкивание дальних. Но поскольку индуцированные заряды — одинаковы по величине, а кулоновское взаимодействие убывает с ростом расстояния, притяжение сильнее отталкивания, и тело будет притягиваться к заряду.

После соединения проводником (задача 19.1.9) два металлических тела и соединяющий проводник будут представлять собой единое проводящее тело. Поэтому потенциалы любых точек этого тела должны быть одинаковы. Следовательно, выровняются потенциалы сфер (ответ 1).

В задачах с заземлением (задача 19.1.10) рассматривается следующая модель Земли: это проводящий шар с размерами, много большими размеров любых тел, имеющихся в задаче. Поэтому для потенциала Земли можно использовать формулу (18.8), которая для любых зарядов, с которыми мы имеем дело, дает нулевой результат. Поэтому при заземлении тела его потенциал становится равным нулю (ответ 2).

Сила взаимодействия противоположных электрических зарядов при внесении между ними диэлектрической пластинки (задача 19.2.1) увеличится (ответ 2). Действительно, в поле зарядов на поверхности пластинки будут индуцироваться заряды: ближе к положительному — минусы, ближе к отрицательному — плюсы (см. рисунок). В результате на каждый точечный наряду с той же самой силой притяжения к другому заряду (а она, конечно, не меняется, ведь принцип суперпозиции говорит о том, что все заряды взаимодействуют независимо) будут действовать две дополнительные силы. Это будет сила притяжения к зарядам того же знака и отталкивания от зарядов противоположного. А поскольку заряды противоположного знака ближе, сила притяжения будет больше. Возникновение дополнительной силы, направленной к пластинке, будет восприниматься как увеличение силы притяжения.

Как отмечалось выше (задача 19.1.7) потенциал электрического поля во всех точках проводящего тела одинаков. Поэтому можно ввести понятие потенциала проводящего тела, который определяется как потенциал электрического поля в любой точке этого тела. Поэтому для потенциала металлического шара из задачи 19.2.2 имеем , где , — заряд шара, — его радиус. Потенциал поля шара на расстоянии двух радиусов от его поверхности и, следовательно, трех радиусов от центра шара равен , т.е. одной трети от потенциала шара. Отсюда находим В (ответ 2).

Потенциал каждой капли ртути (задача 19.2.3) равен , где , — заряд капли, — ее радиус. После слияния заряд большой капли равен , а радиус , где — число капель (последнее следует из того, что объем большой капли равен сумме объемов капель). Отсюда находим потенциал большой капли

(ответ 2).

Поскольку после соединения шары будут представлять собой единое металлическое тело (задача 19.2.4), то заряд разделится между ними так, что потенциалы шаров будут одинаковы. Поэтому для зарядов шаров и выполнено условие

Отсюда находим (ответ 4).

Согласно принципу суперпозиции потенциал каждой точки складывается из потенциала, создаваемого в этой точке всеми зарядами. Поэтому потенциалы и внутренней и внешней сферы (задача 19.2.5) создаются зарядами внутренней и внешней сфер. А поскольку потенциал в любой точке внутри сферы определяется ее радиусом сферы (см. (18.8)), получаем

Аналогично находим потенциал внешней сферы

Отсюда находим

(ответ 3).

Чтобы найти разность потенциалов между двумя проводниками нужно мысленно перенести пробный заряд с одного из них на другой, найти работу, совершаемую электрическим полем при этом, разделить работу на величину пробного заряда. В задаче 19.2.6 между пластинками будет однородное поле с напряженностью . Поэтому работа поля над пробным зарядом при его перемещении с одной пластинки на другую есть . С другой стороны, работа поля следующим образом связана с разностью потенциалов . Отсюда находим разность потенциалов пластин

(ответ 3).

Поскольку напряженность поля между двумя параллельными пластинками, заряженными одинаковым зарядом равна нулю (см. задачу 18.2.8), то при перенесении пробного заряда с одной пластины на другую поле не совершает работу. Следовательно, разность потенциалов между такими пластинками в задаче 19.2.7 равна нулю (ответ 4).

В задаче 19.2. 8 заряды распределятся только по внешней поверхности полого шара (если бы весь заряд или какая-то его часть находилась на внутренней поверхности, то в объеме проводника было бы электрическое поле, чего быть не должно). А поскольку заряд, расположенный на поверхности сферы, создает поле только снаружи этой сферы, то напряженность будет отлична от нуля только в области 3. Поэтому правильный ответ в задаче — 4.

В задаче 19.2.9 заряды индуцируются и на внешней и на внутренней поверхностях полого шара, причем их сумма равна нулю. Результирующее поле будет создаваться центральным зарядом и индуцированными зарядами, которые, фактически, представляют собой равномерно заряженные сферы. А поскольку поле сферы равно нулю внутри этой сферы, то суммарное поле в полости (в области 1) равно полю точечного заряда, т.е. не равно нулю. Внутри металлического тела (в области 2) поле равно нулю, как и внутри любого проводника. Снаружи шара поля индуцированных зарядов компенсируют друг друга, поэтому суммарное поле равно полю точечного заряда, т. е. не равно нулю. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

В задаче 19.2.10 на внешней и внутренней поверхности сферической оболочки будут индуцироваться такие заряды, что суммарное поле (внешнее плюс поле индуцированных зарядов) внутри оболочки будет равняться нулю. Пусть на внутренней поверхности будет индуцирован заряд — , тогда на внешней поверхности будет индуцирован заряд . Поле внутри оболочки (в области 2) будет создаваться только точечным зарядом и зарядами внутренней поверхности (заряд внешней поверхности благодаря ее сферичности в этой области электрического поля не создает). С другой стороны это поле равно нулю. Отсюда заключаем, что заряд внутренней поверхности оболочки противоположен по знаку центральному точечному заряду и равен ему по величине . Следовательно, заряд внешней поверхности оболочки центральному заряду (ответ 1).

Электрическая энергия и важность проводников — ООО «АБСЕЛ»

Узнаем о важности проводника в передаче электроэнергии.

Поток электронов через проводник создает электрический ток. По определению, два существенных фактора способствуют электрическому току. Во-первых, вам понадобится поток электронов, который определяется разностью потенциалов. Следующим является проводник — материал, который позволяет электронам течь.

Но зачем электричеству нужен проводник, чтобы преодолевать расстояния? Почему он просто не проходит через какой-либо материал? Давайте рассмотрим!

Как электричество течет через проводник?

Чтобы понять потребность в проводнике, мы должны сначала понять, как электроны движутся через проводник и как они ведут себя в изоляторе. В проводнике слабые электростатические силы могут раскачивать электроны во внешней оболочке, также называемой орбитой. Это означает, что ядро атома недостаточно сильное, чтобы удерживать все электроны внутри атома.

Когда мы прикладываем электрический потенциал или ЭДС (электродвижущая сила) на концах проводника, плохо удерживаемые электроны освобождаются от атомов и начинают двигаться внутри проводника. Этот поток электронов создает электрический ток, который переносит электрическую энергию от источника ЭДС. Если мы возьмем к примеру медь, каждый её атом имеет 29 электронов. Первая оболочка или самая внутренняя оболочка атома меди имеет 2 электрона. Вторая оболочка имеет 8 электронов, что является максимумом, который она может вместить. Третья оболочка имеет 18 электронов, а внешняя оболочка имеет только 1 электрон. Такое расположение делает электрон во внешней оболочке очень подвижным и чувствительным к электрическим полям. Это также причина, почему медь является отличным проводником электричества.

Что делает изолятор?

Изолятор является противоположностью проводника, где материал не имеет много свободных электронов для перемещения между ними. Это происходит, когда электроны в атоме плотно удерживаются ядром, что делает их очень устойчивыми к воздействию ЭДС. Итак, проводимость в первую очередь зависит от атома и его характеристик.

Чем резистор отличается от изолятора?

Резисторы находят широкое применение в электрических цепях для контроля тока. Но если проводники обеспечивают поток электричества, а изоляторы блокируют его, то каково назначение резисторов? Резисторы уменьшают электрический ток, проходящий через цепь, ограничивая протекание тока. В отличие от изолятора, резистор не блокирует протекание электрического тока. Он просто ограничивает поток электрического тока до определенной степени. И вы можете точно настроить уровень сопротивления резистора, так как существуют разные уровни для резисторов.

Что делает металлы хорошими проводниками электричества?

Как мы уже говорили выше, поток электричества возможен, только если в материале движутся электроны. Внешняя оболочка атома является одним из лучших способов определения проводимости материала. Металлы имеют неполную внешнюю оболочку. Это означает, что внешняя оболочка атома металла имеет меньше электронов, чем может полностью вместить. Таким образом, эти электроны могут свободно перемещаться в металле, просто применяя достаточную электродвижущую силу. Такие материалы, как резина, имеют плотную внешнюю оболочку в своих атомах. Таким образом, даже если вы примените достаточно большую ЭДС к материалу, это не позволит атомам течь. Это причина, почему мы используем производные резины или пластика для изоляции медных проводов. В общем, материалы, которые имеют полную внешнюю орбиту или оболочку, являются хорошими изоляторами. И материалы с менее чем четырьмя внешними электронами являются отличными проводниками. Металлы имеют менее 4 электронов на своих внешних орбитах.

Как текут электроны в проводнике?

Когда мы используем термин «поток» к электронам, это иногда приводит к неправильной интерпретации того, что электроны с одной стороны проводника будут перетекать на другую, тогда как сам проводник действует как магистраль. Однако это не так электроны движутся внутри проводника. Электрон, выпущенный из одного атома, переместится во внешнюю оболочку соседнего атома. Это движение создает нестабильность внутри атома, что приводит к непропорциональному количеству электронов и протонов. Следовательно, атом из внешней оболочки переходит на другой соседний атом. И этот процесс продолжает повторяться. Следовательно, электрон с одной стороны проводника не переходит напрямую на другую сторону. Вместо этого он перемещается к другому атому и заставляет внешнюю оболочку электрона этого атома перемещаться к следующему.

Происходит ли поток электронов в проводниках без ЭДС?

Да, даже без ЭДС валентные электроны в проводнике находятся в постоянном движении от одного атома к другому. Однако направление электронов находится в случайном порядке. Таким образом, общий заряд проводника нейтрализуется, следовательно, равен нулю.

Какие электрические проводники самые лучшие?

Мы используем медь в большинстве электрических применений. Тем не менее, лучший электрический проводник — серебро. Серебро имеет в общей сложности 47 электронов с одним валентным электроном во внешней оболочке. Высокая энергия этого электрона делает его уязвимым для движения даже от очень маленькой ЭДС. Эта характеристика серебра делает его отличным проводником. Однако из-за высокой цены использование серебра в электротехнике ограничено.

Медь является вторым наиболее электропроводящим металлом с 29 электронами и одним валентным электроном во внешней оболочке. Медь имеет  8.5×1028 свободных электронов на кубический метр при комнатной температуре. Золото является третьим наиболее эффективным проводником. Он имеет 79 электронов с одним валентным электроном во внешней оболочке. Организм человека также является хорошим проводником электричества из-за присутствующих в нем ионов (калия, натрия, железа и т. д.). Эти ионы свободно перемещаются через жидкости организма и делают наши тела восприимчивыми к электрическим зарядам.

Электричество, несомненно, является захватывающим и интригующим явлением. Однако без проводников было бы невозможно использовать эту энергию так, как мы делаем это сегодня. Проводники — мосты для электричества, и они работают, чтобы наши устройства были включены и готовы к использованию.

Хороший проводник электричества, типы, примеры, свойства, сверхпроводники и часто задаваемые вопросы

Каждый материал отличается и имеет свои характеристики и свойства. В некоторых материалах есть электрически заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри них, известные как свободные электроны. Когда такие материалы подключаются к батарее или ячейке, свободные электроны начинают двигаться и позволяют электричеству проходить через них. Способность материалов пропускать через себя электричество называется проводимостью. В зависимости от проводимости материалы делятся на проводники, изоляторы и сверхпроводники.

Материалы с хорошей подвижностью электронов называются проводниками, а материалы с меньшей подвижностью электронов называются изоляторами. Проводник со сравнительно легким потоком электронов классифицируется как хороший проводник электричества. В этой статье дайте нам знать лучший проводник электричества и его свойства.

Что такое электрический проводник?

Если вам нужно определить значение электрических проводников самым простым способом, то это материалы, которые позволяют электричеству легко проходить через них. Если мы сравним два типа материала и первый из них позволяет лучше пропускать через себя электричество, то говорят, что этот материал является хорошим проводником электричества.

Некоторые примеры проводников электричества:

• Медь
• Алюминий
• Серебро
• Золото
• Графит
• Платина
• Вода
• Тело человека

Электрический проводник позволяет электрическим зарядам легко проходить через него. Свойство проводников «проводить» электричество называется электропроводностью. Такие материалы предлагают меньшую оппозицию или «сопротивление» потоку обвинений. Проводящие материалы позволяют легко передавать заряд из-за свободного движения электронов через них.

Типы проводников

• Металлы

Большинство проводящих материалов, используемых в практических целях, представляют собой металлы. Например, провод вокруг вашего дома, вероятно, использует медь в качестве проводящего материала или сплава. В электрических вилках есть металл, и внутренний механизм ваших электрических утюгов также использует металлы в качестве проводящего материала. Это связано с тем, что металлы имеют много свободных электронов и способствуют подвижности. Одними из лучших металлических проводников являются серебро (Ag), медь (Cu) и золото (Au).

Чем больше в металле свободных электронов, тем выше его проводимость. Для сравнения, серебро имеет лучшую электропроводность, чем медь и золото. Поскольку серебро намного дороже меди, медь находит применение во всех бытовых приборах и цепях.

Алюминий также является одним из лучших проводников электричества, его проводимость немного меньше, чем у меди. Он используется во внутренней проводке дома, и чаще всего в сочетании с медью.

Батарейки из оксида серебра широко используются в часах и слуховых аппаратах, поскольку они легкие и прочные.

• Неметаллы

Некоторые неметаллы являются отличными проводниками электричества. Например, углерод в форме графита является отличным проводником электричества. Если вы видите структуру графита, только три из четырех атомов углерода используются для связи. Это оставляет один электрон свободным для связи. Однако большинство неметаллов не являются хорошими проводниками электричества.

• Ионные проводники

Проводники в форме раствора называются ионными проводниками. Например, соленая вода представляет собой ионный раствор и является хорошим проводником электричества.

• Полупроводники

Хотя полупроводники не так хорошо проводят электричество, как проводники, они все же находят применение. Примерами полупроводников являются германий (Ge) и кремний (Si).

Свойства электрического проводника

Проводник проявляет следующие свойства в равновесных условиях:

• Проводник всегда допускает движение электронов и ионов через себя.
• Электрическое поле внутри проводника равно нулю, что позволяет электронам течь внутри него.
• Плотность заряда внутри проводника равна нулю.
• Только на поверхности проводника существуют свободные заряды.
• Все точки проводника имеют одинаковый потенциал.

Многие металлы являются хорошими проводниками электричества. По этой причине части приборов, которые должны пропускать электричество, сделаны из металлов. Пластиковое покрытие, которое окружает электрический проводник, известно как изолятор. Это предохраняет нас от удара током.

Сверхпроводники

Сверхпроводник — это материал, который не оказывает сопротивления потоку электронов и проводит электричество. Явление сверхпроводимости было открыто голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом в 1911 году. Сверхпроводники — это элементы или металлические сплавы, которые при охлаждении ниже определенной пороговой температуры теряют свойство электрического сопротивления и становятся сверхпроводниками.

Одними из лучших сверхпроводников являются ниобий, купрат, магний и диборид.

Посмотрите видео и станьте свидетелем реальной демонстрации зарядки проводимостью

Часто задаваемые вопросы – Часто задаваемые вопросы

Q1

Как называется величина, обратная проводимости?

Обратная проводимость называется сопротивлением.

Q2

Состояние Верно или неверно: Поскольку металлы являются хорошими проводниками электричества, электрические провода сделаны из медных проводов.

Верно. Электрические провода сделаны из металлических проводов, потому что они являются хорошими проводниками электричества.

Q3

Перечислите некоторые распространенные изоляторы.

Стекло, пластик и воздух — вот некоторые распространенные примеры изоляторов.

4 квартал

Что из перечисленного является лучшим проводником электричества?

• Алюминий
• Железо
• Медь

Среди них медь является лучшим проводником электричества.

Q5

Является ли древесина хорошим или плохим проводником электричества?

Древесина плохо проводит электричество.

Посмотрите видео и узнайте больше о проводниках

Надеюсь, вы узнали о хороших проводниках электричества на примерах. Оставайтесь с нами и продолжайте влюбляться в обучение!

Проводники и изоляторы

Проводники и изоляторы

Электрические цепи считаются состоящими из локализованных элементов цепи, соединенных проводами, которые имеют пренебрежимо малое сопротивление.