Напряженность внутри проводника находящегося в электростатическом поле равна нулю

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле.

Внимание! Все тесты в этом разделе разработаны пользователями сайта для собственного использования. Администрация сайта не проверяет возможные ошибки, которые могут встретиться в тестах.

Образовательный тест по теме «Проводники и диэлектрики в электростатическом поле». Содержит 12 вопросов. Ограничение по времени 15 минут.

Система оценки: 10* балльная

Список вопросов теста

Вопрос 1

Выберете верные утверждения

Варианты ответов

• Напряженность внутри проводника, находящегося в электростатическом поле, равна нулю.
• Напряженность внутри диэлектрика, находящегося в электростатическом поле, равна нулю.
• В полярных диэлектриках, находящихся в электростатическом поле возникает явление поляризации.
• В неполярных диэлектриках, находящихся в электростатическом поле возникает явление поляризации.

Вопрос 2

П роцесс появления электрического заряда на поверхности проводника при внесении его в область действия внешнего электрического поля называется

Варианты ответов

• Электромагнитная индукция
• Поляризация
• Электростатическая индукция

Вопрос 3

Электростатическое поле внутри диэлектрика

Варианты ответов

• не может существовать
• может существовать
• всегда сильнее внешнего электростатического поля
• полностью компенсирует внешнее электрическое поле

Вопрос 4

Электрический диполь — это

Варианты ответов

• система двух равных по абсолютной величине одноимённых точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга
• система двух разных по абсолютной величине разноимённых точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга
• система двух равных по абсолютной величине разноимённых точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга
• система двух разных по абсолютной величине одноимённых точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга

Вопрос 5

Диэлектрическая проницаемость вещества — это

Варианты ответов

• скалярная физическая величина, показывающая во сколько раз вектор напряжённости ЭСП внутри однородного диэлектрика больше вектора напряжённости поля в вакууме.
• скалярная физическая величина, показывающая во сколько раз модуль напряжённости ЭСП внутри однородного диэлектрика больше модуля напряжённости поля в вакууме.
• скалярная физическая величина, показывающая во сколько раз модуль напряжённости ЭСП внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряжённости поля в вакууме.
• скалярная физическая величина, показывающая во сколько раз вектор напряжённости ЭСП внутри однородного диэлектрика меньше вектора напряжённости поля в вакууме.

Вопрос 6

Смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика во внешнем электрическом поле в противоположные стороны называется

Варианты ответов

• электромагнитной индукцией
• поляризацией
• электростатической индукцией

Вопрос 7

Выберете верные утверждения

Варианты ответов

• Заряды, сообщённые проводнику, располагаются как на поверхности, так и внутри проводника
• Суммарный заряд любой внутренней области проводника равен нулю
• Электростатическое поле в проводнике усиливается
• Поверхность любого проводника всегда является эквипотенциальной

Вопрос 8

Если электрический диполь поместить в однородное электростатическое поле, то он начнет

Варианты ответов

• двигаться поступательно по направлению силовых линий поля
• колебаться
• вращаться в электростатическом поле
• двигаться поступательно вдоль силовых линий поля

Вопрос 9

Два точечных заряда перенесли из воздуха в жидкий диэлектрик, не изменяя расстояния между ними. Как изменилась сила электрического взаимодействия этих зарядов, если диэлектрическая проницаемость диэлектрика равна 2?

Варианты ответов

• увеличилась в 4 раза
• увеличилась в 2 раза
• уменьшилась в 4 раза
• уменьшилась в 2 раза

Вопрос 10

Два точечных заряда перенесли из воздуха в жидкий диэлектрик, не изменяя расстояние между ними. Если при этом сила электрического взаимодействия уменьшилась в 81 раз, то диэлектрическая проницаемость этой жидкости равна

Варианты ответов

Вопрос 11

Если диэлектрик поместить во внешнее электростатическое поле, то результирующее электростатическое поле внутри диэлектрика будет

Варианты ответов

• сильнее внешнего
• такой же силы, как и внешнее
• слабее внешнего
• полностью компенсировать внешнее

Вопрос 12

Если проводник поместить во внешнее электростатическое поле, то результирующее электростатическое поле внутри проводника будет

Варианты ответов

• слабее внешнего
• таким же по силе, как и внешнее
• сильнее внешнего
• полностью компенсировать внешнее

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Будьте внимательны! У Вас есть 10 минут на прохождение теста. Система оценивания — 5 балльная. Разбалловка теста — 3,4,5 баллов, в зависимости от сложности вопроса. Порядок заданий и вариантов ответов в тесте случайный. С допущенными ошибками и верными ответами можно будет ознакомиться после прохождения теста. Удачи!

Система оценки: 5 балльная

Список вопросов теста

Вопрос 1

Выберете верные утверждения

Варианты ответов

• Напряженность внутри проводника, находящегося в электростатическом поле, равна нулю.
• Напряженность внутри диэлектрика, находящегося в электростатическом поле, равна нулю.
• В полярных диэлектриках, находящихся в электростатическом поле возникает явление поляризации.
• В неполярных диэлектриках, находящихся в электростатическом поле возникает явление поляризации.

Вопрос 2

Укажите единицу измерения диэлектрической проницаемости среды.

Варианты ответов

• Н/Кл
• Ф/м
• Кл/Н
• Безразмерная величина

Вопрос 3

Сопоставьте явление с его следствием

Ослабление электрического поля внутри диэлектрика.

Возникновение электрического тока при изменении магнитного потока через контур.

Ослабление электрического поля внутри проводника.

Варианты ответов

• Электростатическая индукция
• Поляризация
• Электромагнитная индукция

Вопрос 4

Как называются вещества, способные проводить электрический ток?

Вопрос 5

Вопрос 6

Сопоставьте так, чтобы получились верные утверждения

на внешней поверхности проводника

равен нулю и не влияет на распределение зарядов на его поверхности и на напряжённость поля внутри проводника.

существовать не может

больше нуля и влияет на распределение зарядов на его поверхности и на напряжённость поля внутри проводника.

Варианты ответов

• Заряды, сообщённые проводнику, располагаются
• Суммарный заряд любой внутренней области проводника
• Электростатическое поле в проводнике
• Возле поверхности проводника силовые линии ЭСП всегда

Вопрос 7

Укажите истинность утверждений.

Варианты ответов

• Электрический диполь — система двух равных по модулю и противоположных по знаку зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.
• У полярных диэлектриков центры распределения зарядов совпадают.
• У неполярных диэлектриков центры распределения зарядов совпадают.
• У полярных диэлектриков центры распределения зарядов не совпадают.
• Смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны называется поляризацией.

Вопрос 8

Диэлектрическая проницаемость вещества — это

Варианты ответов

• скалярная физическая величина, показывающая во сколько раз модуль напряжённости ЭСП внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряжённости поля в вакууме.
• скалярная физическая величина, показывающая во сколько раз модуль напряжённости ЭСП внутри однородного диэлектрика больше модуля напряжённости поля в вакууме.
• скалярная физическая величина, показывающая во сколько раз вектор напряжённости ЭСП внутри однородного диэлектрика меньше вектора напряжённости поля в вакууме.
• скалярная физическая величина, показывающая во сколько раз вектор напряжённости ЭСП внутри однородного диэлектрика больше вектора напряжённости поля в вакууме.

Вопрос 9

Как называется диэлектрик, изображённый на рисунке.

Варианты ответов

• неполярный диэлектрик
• поляризованный диэлектрик
• неполяризованный диэлектрик
• полярный диэлектрик
• вакуум

Напряженность внутри проводника находящегося в электростатическом поле равна нулю

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля создаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики .

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией , а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами .

Индукционные заряды создают свое собственное поле которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника: (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Рисунок 1.5.1.

Электростатическая индукция

Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Рисунок 1.5.2.

Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю

Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

Связанные заряды создают электрическое поле которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика . В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества .

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков , состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (H₂S, NO₂ и т. д.).

При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю.

При внесении диэлектрика во внешнее поле возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле направленное навстречу внешнему полю (рис. 1.5.3).

Рисунок 1.5.3.

Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика

Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле направленное навстречу внешнему полю Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры. Примером неполярной молекулы может служить молекула метана CH₄. У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C 4– располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода H + . При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Рисунок 1.5.4.

Поляризация неполярного диэлектрика

Электрическое поле связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля В очень сильных электрических полях эта закономерность может нарушаться, и тогда проявляются различные нелинейные эффекты . В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения , когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное внешнее поле, сравнимое по модулю с внутриатомным полем, может существенно деформировать атомы или молекулы вещества и изменить их электрические свойства. Однако, эти явления практически никогда не наблюдаются, так как для этого нужны поля с напряженностью порядка . Между тем, гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации . Этот механизм является универсальным, поскольку деформация электронных оболочек под действием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая ионная поляризация , при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (нескомпенсированные) заряды. Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na + и Cl – составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl (см. Часть I § 3.6 ) электронейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т. е. кристалл поляризуется.

При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле связанных зарядов и полное поле могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем строго справедливо только в случае однородного диэлектрика , заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:

Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд , то напряженность поля создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

Напряженность внутри проводника находящегося в электростатическом поле равна нулю

Если проводнику сообщить избыточный заряд, то этот заряд распределится по поверхности проводника. Действительно, если внутри проводника выделить произвольную замкнутую поверхность S, то поток вектора напряженности электрического поля через эту поверхность должен быть равен нулю. В противном случае внутри проводника будет существовать электрическое поле, что приведет к перемещению зарядов. Следовательно, для того, чтобы выполнялось условие

,

суммарный электрический заряд внутри этой произвольной поверхности должен равняться нулю.

Напряженность электрического поля вблизи поверхности заряженного проводника можно определить, используя теорему Гаусса. Для этого выделим на поверхности проводника малую произвольную площадку dS и, считая ее за основание, построим на ней цилиндр с образующей dl (рис. 3.1). На поверхности проводника вектор Е направлен по нормали к этой поверхности. Поэтому поток вектора Е через боковую поверхность цилиндра из-за малости dl равен нулю. Поток этого вектора через нижнее основание цилиндра, находящееся внутри проводника, также равен нулю, так как внутри проводника электрическое поле отсутствует. Следовательно, поток вектора Е через всю поверхность цилиндра равен потоку через его верхнее основание dS ‘ :

,

где Е_n — проекция вектора напряженности электрического поля на внешнюю нормаль n к площадке dS.

По теореме Гаусса, этот поток равен алгебраической сумме электрических зарядов, охватываемых поверхностью цилиндра, отнесенной к произведению электрической постоянной и относительной диэлектрической проницаемости среды, окружающей проводник. Внутри цилиндра находится заряд , где — поверхностная плотность зарядов. Следовательно и , т. е. напряженность электрического поля вблизи поверхности заряженного проводника прямо пропорциональна поверхностной плотности электрических зарядов, находящихся на этой поверхности.

Экспериментальные исследования распределения избыточных зарядов на проводниках различной формы показали, что распределение зарядов на внешней поверхности проводника зависит только от формы поверхности: чем больше кривизна поверхности (чем меньше радиус кривизны), тем больше поверхностная плотность заряда.

Вблизи участков с малыми радиусами кривизны, особенно около острия, из-за высоких значений напряженности происходит ионизация газа, например, воздуха. В результате одноименные с зарядом проводника ионы движутся в направлении от поверхности проводника, а ионы противоположного знака к поверхности проводника, что приводит к уменьшению заряда проводника. Это явление получило название стекания заряда.

На внутренних поверхностях замкнутых полых проводников избыточные заряды отсутствуют.

Если заряженный проводник привести в соприкосновение с внешней поверхностью незаряженного проводника, то заряд будет перераспределяться между проводниками до тех пор, пока их потенциалы не станут равными.

Если же тот же заряженный проводник касается внутренней поверхности полого проводника, то заряд передается полому проводнику полностью.
Эта особенность полых проводников была использована американским физиком Робертом Ван-де-Граафом для создания в 1931 г. электростатического генератора, в котором высокое постоянное напряжение создается посредством механического переноса электрических зарядов. Наиболее совершенные электростатические генераторы позволяют получать напряжение величиной до 15 — 20 МВ.

В заключение отметим еще одно явление, присущее только проводникам. Если незаряженный проводник поместить во внешнее электрическое поле, то его противоположные части в направлении поля будут иметь заряды противоположных знаков. Если, не снимая внешнего поля, проводник разделить, то разделенные части будут иметь разноименные заряды. Это явление получило название электростатической индукции.

1) Какое явление называется электростатической индукцией
2) Что произойдет, если заряженным проводником коснуться внутренней полости незаряженного проводника
3) Опишите явление стекания заряда
4) Почему человек не испытывает воздействия со стороны электрического поля Земли, хотя разность потенциалов между верхней и нижней точками тела человека должна была бы составлять почти 200 В.