Билет №21. Проводники и диэлектрики в электрическом поле: электростатическая индукция, проводящий шар в электрическом поле, электрическое поле внутри шара, измерение разности потенциалов с помощью электрометра, поляризация диэлектриков, электронная поляризация, ориентационная поляризация.
1. Проводники в электрическом поле.
Если металлический проводник поместить в электрическое поле, то под влиянием сил поля свободные электроны проводника придут в движение в сторону, противоположную направлению напряженности поля. В результате этого на одной стороне проводника возникает избыточный отрицательный заряд, а на другой стороне проводника — избыточный положительный заряд.
Разделение зарядов в проводнике под влиянием внешнего электрического поля называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией, а заряды на проводнике — индуцированными зарядами.
Индуцированные заряды создают своё поле Eп, направление которого внутри тела оказывается противоположным внешнему полю Перестроение свободных зарядов шара продолжается до тех пор, пока поле Eп не компенсирует полностью внешнее поле E во всей области внутри тела. При наступлении этого момента (а наступает он почти мгновенно) результирующее поле внутри тела станет равным нулю, дальнейшее движение зарядов прекратится, и они окончательно займут свои фиксированные статические положения на поверхности тела.
Внутри шара Е=0, следовательно, потенциалы во всех точках внутри заряженного металлического тела одинаковы и равны потенциалу на поверхности шара.
А что будет в области снаружи тела? Поле Eп наложится на внешнее поле E так, что линии напряженности внешнего поля будут перпендикулярны поверхности проводника. Поверхность проводника будет являться эквипотенциальной поверхностью. Потенциал и на поверхности тела и внутри будет одинаковым.
2. Диэлектрики в электрическом поле
Механизм поляризации диэлектриков определяется строением их молекул. Известно, что атом или молекула любого вещества являются электрически нейтральными. Однако центры распределения положительных и отрицательных зарядов в них могут совпадать, или не совпадать. В первом случае молекулы называются неполярными, а во втором – полярными. К полярным молекулам относятся несимметричные двухатомные молекулы (
), молекулы воды 
, некоторые многоатомные молекулы 
. Неполярными являются симметричные двухатомные молекулы 
, некоторые трехатомные молекулы 
, а также большинство углеводородов.
У неполярных диэлектриков в электрическом поле электрические силы растягивают орбиты электронов, и центры распределения зарядов перестают совпадать. Молекула становится диполем. При внесении такого диэлектрика во внешнее поле все его молекулы становятся диполями и на противоположных поверхностях диэлектрика появляются нескомпенсированные заряды: слева – отрицательный, справа – положительный. Такой вид поляризации называется поляризацией смещения или электронной поляризацией. Степень поляризации смещения зависит от вида диэлектрика, напряженности внешнего поля и практически не зависит от температуры.
У полярных диэлектриков центры распределения положительных и отрицательных зарядов в молекулах не совпадают. К таким веществам относятся вода, спирт, ацетон, эфир, соляная кислота и т. д. В электрическом поле на каждую молекулу, как и на любой диполь, будет действовать вращательный момент. В результате каждый диполь 
будет стремиться разместиться параллельно полю (рис. 7.3). Межмолекулярные связи и тепловое движение молекул будут препятствовать этому. В результате их переориентация будет неполной, однако, в среднем число диполей, ориентированных вдоль поля позволят возникнуть на противоположных гранях диэлектрика поляризационным зарядам. Такой вид поляризации называется ориентационным или дипольным. Степень ориентационной поляризации зависит от температуры, рода диэлектрика и напряженности внешнего электрического поля. Все полярные диэлектрики в той или иной степени подвержены и электронной поляризации.
При удалении диэлектриков из электрического поля их поляризация исчезает, так как тепловое движение молекул разрушает ориентацию диполей у полярных диэлектриков, а у неполярных – молекулы приобретают свою обычную форму.
Под действием постоянного электрического поля 
все диэлектрики поляризуются, создается собственное поле, направленное против внешнего. В диэлектриках в отличие от металлов электрическое поле не равно нулю. Возникающие в процессе поляризации связанные заряды лишь ослабляют внешнее поле.
Диэлектрическая проницаемость – физическая величина, которая показывает, во сколько раз поле в среде становится слабее по сравнению с вакуумом.
Измерить напряженность - весьма непростая задача. Гораздо проще измерить разность потенциалов с помощью электрометров. Электрометр принципиально отличается от электроскопа наличием металлического корпуса. Для того чтобы при помощи электрометра измерить разность потенциалов между какими-либо двумя проводниками, например проводником и Землей, нужно стержень (листки) электрометра соединить с этим проводником, а его корпус – с Землей. Через очень короткое время стержень электрометра окажется при том же потенциале, что и соединенный с ним проводник, а потенциал корпуса электрометра сравняется с потенциалом Земли. Таким образом, показания электрометра дадут разность потенциалов между проводником и Землей.
