Номер 10, страница 325 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Электростатика. Глава 8. Свойства электрического поля. Параграф 39. Проводники и диэлектрики в электростатическом поле - номер 10, страница 325.

Условие.

10. Объясните, каким образом электрическое поле может действовать на электрически нейтральные предметы.

Решение.

Электрическое поле может действовать на электрически нейтральные предметы благодаря явлению, которое называется электрической поляризацией (для диэлектриков) или электростатической индукцией (для проводников). Хотя в целом предмет является нейтральным, то есть суммарный положительный заряд в нём равен суммарному отрицательному, под действием внешнего электрического поля происходит перераспределение этих зарядов внутри самого предмета. Механизм этого перераспределения различается для проводников и диэлектриков.

1. Проводники
В проводящих материалах, таких как металлы, существуют свободные носители заряда (электроны), которые могут перемещаться по всему объему тела. Когда нейтральный проводник помещается во внешнее электрическое поле с напряженностью $\vec{E}$, на свободные электроны начинает действовать электрическая сила $\vec{F} = q\vec{E}$ (где $q = -e$ — заряд электрона). Под действием этой силы электроны смещаются в сторону, противоположную направлению вектора напряженности $\vec{E}$. В результате на одной стороне проводника накапливается избыточный отрицательный заряд, а на противоположной стороне возникает недостаток электронов, что эквивалентно появлению избыточного положительного заряда. В итоге сторона проводника, расположенная ближе к внешнему заряженному телу, приобретает заряд, противоположный по знаку заряду этого тела, и притягивается к нему. Дальняя сторона приобретает одноименный заряд и отталкивается. Поскольку сила Кулона обратно пропорциональна квадрату расстояния ($F \sim 1/r^2$), сила притяжения между ближайшими разноименными зарядами оказывается больше силы отталкивания между более удаленными одноименными зарядами. Как следствие, на нейтральный проводник действует результирующая сила притяжения.

2. Диэлектрики
В диэлектриках (изоляторах) нет свободных зарядов, способных перемещаться по всему объему. Однако заряды, входящие в состав атомов и молекул, могут смещаться под действием внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика.
- В полярных диэлектриках (например, вода) молекулы изначально являются электрическими диполями, то есть имеют «положительный» и «отрицательный» полюсы. В отсутствие внешнего поля эти диполи ориентированы хаотично. Внешнее электрическое поле создает вращающий момент, который стремится выстроить диполи вдоль силовых линий поля.
- В неполярных диэлектриках (например, азот, кислород) молекулы в обычном состоянии не имеют дипольного момента. Однако внешнее электрическое поле деформирует электронные оболочки атомов: центры распределения отрицательных зарядов (электронов) смещаются против поля, а центры положительных зарядов (ядер) — по направлению поля. В результате каждая молекула превращается в наведенный (индуцированный) диполь.
В обоих случаях результатом поляризации является появление на поверхностях диэлектрика нескомпенсированных связанных зарядов. На поверхности, ближайшей к источнику поля, образуется заряд противоположного знака, а на дальней — одноименного знака. Аналогично случаю с проводником, из-за разницы в расстояниях сила притяжения к ближайшей поверхности превосходит силу отталкивания от дальней, и в итоге диэлектрик также притягивается к источнику поля.

Ответ: Электрическое поле действует на электрически нейтральные предметы, вызывая в них перераспределение внутренних зарядов — явление поляризации (в диэлектриках) или электростатической индукции (в проводниках). В результате этого на стороне предмета, ближайшей к источнику поля, концентрируется заряд, противоположный по знаку заряду источника, а на дальней стороне — одноименный заряд. Так как сила электрического взаимодействия убывает с расстоянием, сила притяжения к ближайшим разноименным зарядам оказывается сильнее силы отталкивания от более удаленных одноименных зарядов. Это приводит к возникновению результирующей силы, которая всегда является силой притяжения.