Номер 3, страница 265 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. Какой опыт доказывает отсутствие электрического поля внутри проводника?

3. Отсутствие электрического поля внутри проводника доказывается с помощью опытов, демонстрирующих принцип действия "клетки Фарадея". Классическим является опыт с полым проводником (например, металлическим ведром или сетчатой клеткой), помещенным на изолирующую подставку.
Сначала к внешней поверхности проводника подключают электроскоп. Затем внутрь полости вносят заряженное тело, не касаясь стенок. Электроскоп покажет наличие на внешней поверхности индуцированного заряда. Если теперь заряженным телом коснуться внутренней стенки проводника, то заряд с тела перейдет на проводник, но показания электроскопа при этом не изменятся. Это означает, что весь сообщенный заряд распределился по внешней поверхности проводника. Последующая проверка покажет, что на внутренней поверхности заряд отсутствует.
Согласно теореме Гаусса, поток вектора напряженности через любую замкнутую поверхность, проведенную внутри вещества проводника, равен нулю, так как внутри этой поверхности нет зарядов. Отсюда следует, что и напряженность электрического поля в любой точке внутри проводника равна нулю ($E=0$).
Наглядной демонстрацией является помещение человека или чувствительного электроприбора внутрь большой металлической клетки. Даже если на клетку подать очень высокое напряжение (например, от генератора Ван де Граафа или во время разряда молнии), внутри клетки поле будет отсутствовать, и человек или прибор не пострадают.

Ответ: Опыт, доказывающий отсутствие электрического поля внутри проводника, — это эксперимент с полой замкнутой проводящей оболочкой ("клетка Фарадея"), который показывает, что весь избыточный статический заряд располагается исключительно на ее внешней поверхности, а поле внутри отсутствует.

4. Поверхность заряженного проводника является эквипотенциальной, потому что в состоянии электростатического равновесия свободные заряды внутри проводника и на его поверхности прекращают упорядоченное движение.
Эквипотенциальная поверхность — это поверхность, во всех точках которой электрический потенциал $\varphi$ имеет одинаковое значение.
Предположим обратное: поверхность проводника не является эквипотенциальной. Тогда на ней нашлись бы как минимум две точки (1 и 2) с разными потенциалами, то есть $\varphi_1 \neq \varphi_2$. Наличие разности потенциалов между точками означает существование электрического поля, направленного вдоль поверхности от точки с большим потенциалом к точке с меньшим.
Работа $\text{A}$ электрического поля по перемещению заряда $\text{q}$ между точками 1 и 2 вдоль поверхности определяется формулой $A = q(\varphi_1 - \varphi_2)$. Если $\varphi_1 \neq \varphi_2$, то работа $\text{A}$ не равна нулю. Это значит, что на свободные заряды (например, электроны в металле), находящиеся на поверхности, действовала бы электрическая сила, которая приводила бы их в движение вдоль поверхности. Такое упорядоченное движение зарядов представляет собой электрический ток.
Однако в электростатике рассматривается состояние равновесия, при котором макроскопическое движение зарядов отсутствует. Это возможно только в том случае, если сила, действующая на заряды вдоль поверхности, равна нулю. Это, в свою очередь, означает, что работа по перемещению заряда между любыми двумя точками на поверхности равна нулю: $A=0$.
Из условия $A = q(\varphi_1 - \varphi_2) = 0$ следует, что $\varphi_1 = \varphi_2$ для любых двух точек на поверхности. Таким образом, все точки поверхности заряженного проводника в состоянии равновесия имеют одинаковый потенциал.

Ответ: Поверхность заряженного проводника является эквипотенциальной, так как если бы на ней существовала разность потенциалов, то это привело бы к возникновению поверхностного тока (движению свободных зарядов), что противоречит условию электростатического равновесия.