§ 20. Провідники і діелектрики

Ізолятори - це матеріали, якими заряди не можуть рухатися. Молекули таких речовин або природні диполі, або стають ними, якщо їх помістити в електричне поле. У зовнішньому полі диполі повертаються і встановлюються вздовж силових ліній. Оскільки молекули беруть участь також і в тепловому русі, то картина не така правильна, як зображено на малюнку 20.1. Тепловий рух зміщує молекули-диполі з положень рівноваги та розорієнтовуєїх.

Ізолятор ніколи не буває ідеальним, і деякий заряд по ньому переміщується (проте значно менший, ніж через метал). Особливо збільшується проходження зарядів, якщо поверхня ізолятора вкрита тонкою плівкою води, що буває саме тоді, коли в повітрі багато водяної пари (висока вологість). Тому досліди, що пов'язані з електризацією, краще проводити влітку або в теплому сухому приміщенні.

Провідники - це матеріали, якими заряди можуть вільно рухатися. Наприклад, усі метали - провідники, оскільки заряди по них легко переміщуються. Це можливо тому, що в металах є вільні електрони у великій кількості і при будь-яких температурах. З іншими типами провідників ми познайомимося пізніше.

На малюнку 20.1 зображено діелектрик, розміщений в електричному полі, що створюється між двома різнойменно зарядженими металевими пластинами (такий прилад називають конденсатором). Пунктирна замкнута лінія охоплює всі заряди, крім тих, що знаходяться біля поверхні. Видно, що сумарний заряд всередині пунктирної лінії дорівнює нулю. Дія зовнішнього електричного поля на діелектрик призводить до того, що на його поверхні з'являються заряди протилежних знаків, тобто має місце поляризація діелектрика. У досліді 18.2 папірець поляризувався саме так.

У мікрохвильовій печі (мал. 20.2) створюються швидкозмінні електричні поля, в яких на диполі продуктів діють змінні сили. Ці сили обертають молекули в різні боки, через що зростає середня кінетична енергія молекул і, як наслідок, температура продуктів.

ДОСЛІД 20.1

Пустіть із крана тонкий неперервний струмінь води і наблизьте до нього збоку заряджений гребінець. Поясніть, чому струмінь води вигинається. Рухайте гребінець униз уздовж струменя. В певному місці струмінь під дією електричного поля гребінця почне розпадатися на краплини. Спробуйте пояснити це явище.

ДОСЛІД 20.2

Виготуйте гільзу з алюмінієвої фольги. Для цього обгорніть смужку фольги шириною 4-5 см навколо круглого в перерізі олівця, щоб утворився циліндр. Один кінець циліндра міцно зав'яжіть шовковою ниткою. Підвісьте гільзу, закріплену на нитці, до будь-якого предмета (мол. 20.3). Піднесіть до гільзи заряджене тіло (наприклад, гребінець, потертий об волосся) і спостерігайте, як гільза до нього притягується. Доторкніться зарядженим тілом до гільзи (частина заряду при цьому перейде з тіла на гільзу), потім відведіть тіло від гільзи. Знову здалеку підносьте заряджене тіло до гільзи. Спочатку вона буде відштовхуватися, але якщо ви піднесете заряджене тіло дуже близько до гільзи, вона знову притягнеться.

Зарядіть гільзу, доторкнувшись до неї зарядженим гребінцем. Потім доторкніться до неї пальцем і підносьте до неї гребінець. Пльза до нього притягнеться. Це означає, що ми розрядили гільзу в момент доторкання до неї пальцем. Заряди з гільзи через руку перейшли в землю. Значить, людське тіло є провідником (підлога і стіни будинку - також). З'єднання тіла із землею за допомогою провідника називають заземленням. Корпуси багатьох електричних приладів треба заземлювати (цього вимагає техніка безпеки). Потенціал заземленого приладу завжди дорівнює нулю.

Незаряджені металеві тіла в електричному полі також поляризуються, але це відбувається тому, що вільні електричні заряди рухаються вздовж провідника.

Надлишкові електричні заряди розміщуються на поверхні зарядженого провідника, оскільки вони відштовхуються, а електричне поле всередині провідника дорівнює нулю.

Клітка Фарадея

Можна відгородитися від електричного поля, оточивши себе металевою оболонкою або навіть дротяною сіткою. Такий пристрій називають кліткою Фарадея - це він придумав спосіб, як захиститися від електричного поля. Якщо треба ремонтувати високовольтну лінію, не вимикаючи її, то це можна робити, знаходячись усередині металевої клітки. Якщо ви ввімкнете радіоприймач, перебуваючи в автобусі далеко від вікна, то він не «спіймає» жодної радіостанції. Поле радіохвиль не може проникнути всередину металевої коробки автобуса.

ДОСЛІД 20.3

Наблизьте на деяку відстань до незарядженої кулі, яка закріплена на ізольованій підставці, заряджену негативним зарядом ебонітову паличку. Доторкніться пальцем до кулі.

Заберіть палець, потім заберіть паличку (мол. 20.4). Переконайтеся за допомогою незарядженої гільзи, що куля заряджена. Доведіть, що вона заряджена позитивним зарядом (теоретично і практично).

Електроскоп. Нескладний прилад, який може показувати присутність електричного заряду і навіть (хоча й приблизно) його значення, називається електроскопом. Будову його легко зрозуміти з малюнка 20.5. На одному кінці металевого стержня знаходиться металева кулька, яка накопичує заряд. На другому кінці до нього прикріплені два металеві дротини, що розміщені горизонтально поряд. На дротинах можуть вільно обертатися дві легкі пелюстки з фольги (у старовинних електроскопах пелюстки робили із золота, бо

з нього можна легко викувати дуже тонкі листочки). Цей пристрій закріплений у шийці скляної посудини. Якщо зарядити кульку електроскопа, то заряди розійдуться по всій металевій поверхні, в тому числі й на пелюстки. Пелюстки відштовхнуться й утворять певний кут, який буде тим більший, чим більший заряд.

Накопичення і зберігання електричних зарядів

Зарядимо металеву кулю, закріплену на ізолюючій підставці (мал. 20.6). Однойменні заряди відштовхуються, тому вони розмістяться на поверхні кулі. Кількість зарядів, що знаходяться на одиниці площі поверхні, буде в усіх точках однаковою (тому що всі точки рівноцінні). Чим більша поверхня кулі, тим більший заряд можна розмістити на ній при даному потенціалі. При цьому не має значення, порожниста куля чи суцільна.

Ще більший заряд можна накопичити на двох плоских металевих пластинах, які закріплені на ізолюючих підставках та ізольовані одна від одної. Якщо одну пластину зарядити позитивним зарядом, а іншу - точно таким за значенням, але негативним, то ці заряди не зможуть розбігтися, оскільки вони притягуються один до одного. Зійтися і нейтралізуватися вони також не можуть, тому що пластини ізольовані одна від одної.

Описаний пристрій із двох металевих пластин називають конденсатором. Призначення конденсатора - накопичувати і зберігати електричні заряди (мал. 20.7). Роль конденсатора схожа на роль резервного бака для зберігання води. Характеристикою бака є його ємність у літрах або в кубічних метрах.

Основна характеристика конденсатора називається електроємністю, правда, вимірюється вона не в літрах, а у фарадах (Ф - фарад, названий на честь Фарадея).

В електронних пристроях використовуються конденсатори ємністю в мільйонні частини фарада - мікрофаради (мкф). Лейденські банки електрофорної машини є своєрідними конденсаторами. Внутрішня і зовнішня поверхні банки обклеєні фольгою. На поверхні фольги накопичуються і зберігаються заряди протилежних знаків, які отримуються при терті дисків машини (див. мал. 19.2).

•Генератор Ван де Граафа. Поставимо завдання зарядити ізольовану металеву кулю до дуже великого потенціалу. Для цього можна, наприклад, багатократно доторкатися до неї наелектризованим гребінцем. Проте вже дуже швидко куля перестане приймати на себе заряди. Це зрозуміло, бо заряди на кулі відштовхують заряди того самого знаку, які на неї переходять із зарядженого гребінця. Якщо ж заряджати кулю зсередини, то переходу зарядів ніщо не заважає, оскільки всередині провідних тіл немає електричного поля.

В атомних лабораторіях і там, де випробовують ізолятори для високовольтних ліній електропередач (а напруга в деяких із них досягає 750 000 В і навіть 5 000 000 В), використовують генератор високої напруги, запропонований американським фізиком Робертом Ван де Граафом. Це досить громіздкий апарат. На ізолюючій колоні (висотою 10-15 м), що зроблена у вигляді труби, встановлюється порожниста металева куля (діаметром 3-5 м).

Усередині труби рухається гумова стрічка транспортера (мал. 20.8). Нижній вал обертається за допомогою електродвигуна. Внизу стрічку заряджають і заряди рухаються разом із нею вгору. Нагорі, всередині кулі, заряди переходять через контактний провід на кулю і накопичуються на зовнішній поверхні. Всередині кулі поля немає, тому її можна заряджати до того часу, поки потенціал не досягне значення, при якому заряди вже починають «стікати» в землю по ізолюючій колонні.

ПРОЕКТ 20.1

Пропонуємо вам виготовити «лейденську банку», зарядити її, дослідити дію цього пристрою (мал. 20.9) та познайомитися з дуже цікавою історією створення перших «накопичувачів електрики». Лейденську банку легко виготовити з пластикової банки, прикріпивши ззовні і зсередини полоси алюмінієвої фольги та з'єднавши їх провідником із стержнями, закріпленими в пластиковій кришці. На стержнях необхідно закріпити металеві кульки.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Провідники - речовини, якими вільні електричні заряди легко рухаються.

Ізолятори - це речовини, якими заряди не можуть рухатися.

Надлишкові електричні заряди розміщуються на поверхні зарядженого провідника, оскільки вони відштовхуються, тому електричне поле всередину провідника не проникає.

Електричні заряди накопичують і зберігають на провідниках кулястої форми або на системі двох плоских пластин, яку називають конденсатором.

Лінії однакового потенціалу перпендикулярні до силових ліній.

Силові лінії електричного поля напрямлені в бік зменшення потенціалу.

ВПРАВА №20

1.    Чи можуть заряди переміщуватися по ізолятору?

2.    З чого зроблені підвіски, до яких кріпляться дроти на стовпах?

3.    Якщо наблизити руку до зарядженої гільзи, то вона почне рухатись до руки. Чому? (Дослід 20.2).

4.    Як можна визначити знак заряду гільзи в досліді 20.2?

5.    Чому кількість зарядів, які може накопичити металева куля при даному потенціалі, не залежить від того, суцільна вона чи порожниста?

6.    Яким чином, маючи заряджену ебонітову паличку, можна зарядити металеву кулю, яка знаходиться на ізолюючій підставці: а) негативним зарядом; 6) позитивним зарядом?

7.    Яким чином, маючи заряджену ебонітову паличку, можна зарядити дві однакові металеві кулі, які знаходяться на ізолюючих підставках рівними за величиною: а) негативними зарядами; б)* протилежними за знаком зарядами?

8.    Що станеться, якщо до зарядженої металевої кулі доторкнутись рукою?

9.    Як потрапляють заряди з кульки електроскопа на пелюстки?

10.    Чому розходяться пелюстки електроскопа, якщо доторкнутися до кульки приладу зарядженим тілом?

11.    Чому вдається так сильно зарядити кулю генератора Ван де Граафа?

12.    Чому кулі на генераторі Ван де Граафа роблять такими великими?

13.    Чи можна стверджувати, що тіло заряджене, якщо воно: а) притягується до іншого зарядженого тіла; б) відштовхується від нього, в) притягується до незарядженого тіла?

14.    В електричне поле, створене негативним зарядом -q, помістили неза-ряджене металеве тіло, що складається з двох частин. Опишіть знак і величину електричних зарядів, які набудуть частини А та В після того,

що їх розділили.

15.    Якщо наблизити руку до кульки електроскопа, то кут між пелюстками зменшується. Чому?

16.    Чому якщо наблизити, не доторкаючись до кульки електроскопа, заряджений гребінець, то пелюстки приладу а) розійдуться, б) а якщо потім гребінець забрати, то пелюстки знову зійдуться? в) Чи переходять заряди з гребінця на кульку?

17.    Заряджену ебонітову паличку здалеку наближають до гільзи, підвішеної на нитці. Спочатку гільза відштовхується від палички, але на ближчій відстані починає притягуватися. Поясніть це явище.

18.    Тіло з'їжджає по похилій площині. В якому випадку швидкість тіла внизу буде меншою, коли тіло електризується при ковзанні чи коли ні?

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка