Номер 1, страница 45, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Исследуйте

Если поместить в электрическое поле проводник и диэлектрик, то внутри проводника электрическое поле отсутствует, а внутри диэлектрика поле ослабевает, но не равно нулю. Исследуйте это явление и дайте ему объяснение.

Данное явление объясняется различиями в строении проводников и диэлектриков и, как следствие, разным поведением их электрических зарядов во внешнем поле.

Поведение проводника в электрическом поле

Проводники (например, металлы) содержат большое количество свободных носителей заряда (электронов), которые могут перемещаться по всему объему. Когда проводник помещают во внешнее электрическое поле с напряженностью $E_0$, на свободные заряды действует электрическая сила, заставляющая их перемещаться. Отрицательные электроны смещаются против направления поля, скапливаясь на одной стороне проводника. Соответственно, на противоположной стороне возникает избыточный положительный заряд (ионы кристаллической решетки).

Этот процесс разделения зарядов называется электростатической индукцией. Наведенные (индуцированные) заряды создают внутри проводника собственное электрическое поле $E_i$, которое направлено противоположно внешнему полю $E_0$. Перемещение зарядов продолжается до тех пор, пока их собственное поле $E_i$ не станет по модулю равным внешнему полю $E_0$. В результате результирующее поле внутри проводника, являющееся векторной суммой внешнего и внутреннего полей, становится равным нулю:

$E_{внутри} = E_0 + E_i = 0$

Таким образом, поле внутри проводника отсутствует благодаря полной компенсации внешнего поля внутренним полем, созданным свободными зарядами.

Поведение диэлектрика в электрическом поле

В диэлектриках, в отличие от проводников, свободных носителей заряда практически нет. Все заряды (электроны и ядра) являются связанными в атомах или молекулах. При помещении диэлектрика во внешнее поле $E_0$ заряды не могут свободно перемещаться по всему объему. Вместо этого происходит их незначительное смещение: положительные заряды (ядра) смещаются по направлению поля, а отрицательные (электронные облака) — против. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика.

В результате поляризации на поверхностях диэлектрика появляются связанные (поляризационные) заряды, которые создают внутреннее электрическое поле $E_i$, направленное против внешнего поля $E_0$. Однако, поскольку заряды в диэлектрике не свободны, а лишь смещены на ограниченные расстояния, создаваемое ими поле $E_i$ всегда слабее внешнего поля: $|E_i| < |E_0|$.

Поэтому результирующее поле внутри диэлектрика, равное $E_{внутри} = E_0 + E_i$, не равно нулю, а лишь ослабляется. Его модуль равен $E_{внутри} = |E_0| - |E_i|$. Степень ослабления поля зависит от диэлектрической проницаемости вещества $\epsilon$ ($\epsilon > 1$), и напряженность поля внутри равна $E_{внутри} = \frac{E_0}{\epsilon}$.

Ответ: Разница в поведении проводников и диэлектриков в электрическом поле обусловлена наличием свободных зарядов в проводниках и их отсутствием в диэлектриках. В проводнике свободные заряды полностью компенсируют внешнее поле внутри объема, приводя его к нулю. В диэлектрике связанные заряды могут лишь смещаться, создавая внутреннее поле, которое только ослабляет внешнее поле, но не обнуляет его.