Warto przeczytać

Przewodnik to rodzaj materiału, w którym elektrony walencyjne (czyli elektrony z ostatniej powłoki atomu) są swobodne. O takich elektronach mówimy, że tworzą gaz elektronowy. Mogą poruszać się w całej objętości przewodnika i przewodzić prąd elektryczny.

RVwUS6xddfgFc

Rys. 1a. Dwie ustawione pionowo płytki stykają się ze sobą. Na płytkach znajdują się umieszczone naprzemiennie plusy i minusy, symbolizujące ładunki dodatnie i ujemne w płytkach. Plusów jest tyle samo co minusów. Rys. 1b. Stykające się płytki znajdują się teraz w polu elektrycznym, którego linie są poziome i skierowane w prawo. Na lewej płytce są tylko minusy, na prawej płytce tylko plusy. Rys. 1c. Płytki znajdują się teraz w pewnej odległości od siebie. Na lewej płytce są tylko minusy, na prawej płytce tylko plusy.

Wyobraźmy sobie proste doświadczenie. Mamy dwie przewodzące płytki, np.  miedziane dyski (Rys. 1a.). Następnie stykamy je ze sobą, tak by tworzyły jeden przewodnik i umieszczamy w zewnętrznym polu elektrycznym, prostopadle do linii pola (Rys. 1b.). Płytki na początku doświadczenia są elektrycznie obojętne, tzn. jest w nich tyle samo ładunków dodatnich, co ujemnych. Jednak działająca na ładunki siła elektrostatyczna $\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{E}$ spowoduje ich rozsunięcie (Rys. 1b.), przez co każda z płytek - po oddzieleniu jak na Rys. 1c. - nie będzie już elektrycznie obojętna. Mówimy w takiej sytuacji, że w przewodnikach został wyindukowany ładunek elektryczny. Oznacza to, że żaden ładunek nie został dostarczony ani zabrany, jedyne co się zmieniło, to jego rozkład przestrzenny. Zjawisko to nazywamy indukcją elektrostatyczną.

Skupmy się teraz na pojedynczym naładowanym przewodniku. Ponieważ ładunki wewnątrz przewodnika mogą się swobodnie poruszać, a jednocześnie, będąc tego samego znaku, odpychają się od siebie, to rozłożą się wszystkie na powierzchni przewodnika. Taki rozkład będzie energetycznie optymalny, ponieważ zapewni największe odległości pomiędzy ładunkami.

To zachowanie ładunków prowadzi do kolejnej ważnej własności przewodników, a dotyczy pola elektrycznego wewnątrz przewodnika. Otóż pole elektryczne wewnątrz przewodnika jest zerowe; wytłumaczyć to można wykorzystując prawo Gaussa dla pola elektrycznegoPrawo Gaussa dla pola elektrycznegoprawo Gaussa dla pola elektrycznego. Cecha ta jest kluczowa dla działania klatki FaradayaKlatka Faradayaklatki Faradaya (Rys. 2.).

RwzO3TGGZUdia

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia klatkę Faradaya, czyli kabinę oplecioną metalową, gęstą siatką. W kabinie widać dwie dziewczyny, które spokojnie obserwują iskrę elektryczną przesyłaną w kierunku ściany kabiny.

Istnienie swobodnych ładunków wewnątrz przewodnika skutkuje jeszcze jedną własnością pola elektrycznego, tym razem na powierzchni przewodnika. Wypadkowa siła działająca na każdy ładunek jest prostopadła (normalna) do powierzchni. To oznacza, że w stanie równowagi wektor natężenia pola elektrycznego jest prostopadły do powierzchni przewodnika (Rys. 3.). Gdyby tak nie było, tzn. gdyby istniała jakakolwiek składowa natężenia pola elektrycznego styczna do powierzchni przewodnika, na ładunki działałaby siła przesuwająca je po powierzchni. Nie oznacza to jednak, że wartość pola jest na powierzchni stała.

RcLmkyRPrfraP

Rys. 3. Rysunek przedstawia metalowy przedmiot, który ma kształt walca i stojącego na nim stożka. Narysowano linie pola elektrycznego wytwarzanego przez dodatni ładunek przewodnika. Linie pola wychodzące z podstawy walca są skierowane pionowo w dół. Linie pola wychodzące z lewej strony powierzchni bocznej walca są skierowane poziomo w lewo. Linie pola wychodzące z prawej strony powierzchni bocznej walca są skierowane poziomo w prawo. Linie pola wychodzące z lewej strony powierzchni bocznej stożka są prostopadłe do tej powierzchni i skierowane ukośnie w górę i w lewo. Linie pola wychodzące z prawej strony powierzchni bocznej stożka są prostopadłe do tej powierzchni i skierowane ukośnie w górę i w prawo. Linia wychodząca z wierzchołka stożka jest skierowana pionowo w górę.

Z prostopadłości pola elektrycznego do powierzchni przewodnika wynika kolejna jego własność. Ponieważ siła działająca na ładunek na powierzchni przewodnika jest do powierzchni prostopadła, przesunięcie ładunku po powierzchni nie wiąże się z wykonaniem żadnej pracy. Oznacza to, że potencjał elektryczny na powierzchni całego przewodnika jest stały. O takiej powierzchni mówimy, że jest ekwipotencjalnaPowierzchnia ekwipotencjalnaekwipotencjalna. Innymi słowy, gdybyśmy chcieli przenieść ładunek z pewnego punktu poza przewodnikiem na powierzchnię przewodnika, wykonamy zawsze tę samą pracę, bez względu na to, w które miejsce przewodnika ładunek został przeniesiony.

Słowniczek