Электростатика — Задание 21 ЕГЭ по физике №00016579

Внутри металлического шара есть полость, а в полости — отрицательный заряд. Нужно нарисовать линии напряжённости в трёх областях: в полости, в толще металла и снаружи.

Общее правило: линии напряжённости начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных (или приходят из бесконечности и уходят в неё).

Внутри проводника. Начнём с металла — это ключ ко всей картине. В проводнике есть свободные электроны. Пока в металле есть поле, оно заставляет их двигаться; движение прекращается, только когда поле внутри металла исчезает. Поэтому в равновесии в толще проводника $E=0$, линий напряжённости там нет.

Что происходит с зарядами шара. Отрицательный заряд $q$ отталкивает свободные электроны металла. Они уходят от стенок полости к внешней поверхности шара. На стенках полости остаётся положительный заряд, равный по модулю $|q|$: только тогда он «принимает на себя» все линии, идущие к заряду $q$, и поле в металл не проникает. Шар в целом не заряжен, поэтому на его внешней поверхности оказывается отрицательный заряд $-|q|$.

Внутри полости. Линии начинаются на положительно заряженных стенках полости и заканчиваются на отрицательном заряде $q$. Рисуем не менее восьми линий, идущих от стенок к заряду со всех сторон; стрелки направлены к заряду. К стенке линии подходят под прямым углом.

Снаружи шара. Поле создаёт отрицательный заряд на внешней поверхности. Поле в металле равно нулю, поэтому внешняя поверхность «не знает», где именно внутри расположены полость и заряд: заряд распределяется по ней равномерно. Снаружи получается поле равномерно заряженного отрицательного шара: линии идут по радиусам, приходят из бесконечности и заканчиваются на поверхности шара; стрелки направлены к шару. Рисуем не менее восьми таких линий, равномерно по всем направлениям.

Итог: в полости — линии от стенок к заряду; в металле — $E=0$; снаружи — радиальные линии, направленные к шару.