Провідники в електричному полі. Електроємність провідників і конденсаторів.
Розподіл зарядів на провіднику. Провідник в зовнішньому електричному полі.
Електроємність відокремленого провідника. Електроємність кулі.
Конденсатори і їх електроємність. Послідовне і паралельне з'єднання конденсаторів.
Енергія електростатичного поля.
Розподіл зарядів на провіднику. Провідник в зовнішньому електричному полі.
Під словом «провідник» у фізиці розуміється провідне тіло будь-яких розмірів і форми, що містить вільні заряди (електрони або іони). Для визначеності в подальшому будемо розглядати метали.
Якщо провіднику повідомити деякий заряд q, то він розподілиться так, щоб дотримувалася умова рівноваги (тому що однойменні заряди відштовхуються, вони розташовуються на поверхні провідника).
Е слі заряди провідника знаходяться в рівновазі, то рівнодіюча всіх сил, що діють на кожен заряд, дорівнює нулю:
в будь-якій точці всередині провідника Е = 0.
у всіх точках всередині провідника потенціал постійний.
Оскільки при рівновазі заряд не рухаються по поверхні провідника, то робота по їх переміщенню дорівнює нулю:
тобто поверхню провідника є еквіпотенційної.
Оскільки лінії вектора перпендикулярні еквіпотенціальною поверхнею, лінії перпендикулярні поверхні провідника.
Згідно з теоремою Гаусса
Якщо S - поверхня зарядженого провідника, то всередині неї E = 0,
тобто заряди розташовуються на поверхні провідника.
6. З'ясуємо, як пов'язана поверхнева щільність заряду з кривизною поверхні.
Д ля зарядженої сфери
П лотность зарядів визначається кривизною поверхні провідника: зростає зі збільшенням позитивної кривизни (опуклості) і убуває зі збільшенням негативної кривизни (угнутості). Особливо велика на вістрі. При цьому наявні в повітрі в невеликій кількості іони обох знаків і електрони розганяються поблизу вістря сильним полем і вдаряючись об атоми газу, іонізують їх. Створюється область просторового заряду, звідки іони того ж знака, що і вістря, виштовхуються полем, захоплюючи за собою атоми газу. Потік атомів і іонів, спрямований від вістря, створює враження «стікання зарядів». При цьому вістря розріджується потрапляють на нього іонами протилежного знака. Що виникає при цьому відчутне рух газу у вістря називають «електричним вітром».
Провідник в зовнішньому електричному полі:
При внесенні незарядженого провідника в електричне поле його електрони (вільні заряди) приходять в рух, на поверхні провідника з'являються індуковані заряди, поле всередині провідника дорівнює нулю. Це використовують для електростатичного захисту, тобто екранування електро- і радіоприладів (і людини) від впливу електростатичних полів. Прилад оточують провідним екраном (суцільним або у вигляді сітки). Зовнішнє поле компенсується всередині екрану полем виникають на його поверхні індукованих зарядів.
Електроємність відокремленого провідника. Електроємність кулі.
Якщо заряд на провіднику збільшити в кілька разів, потенціал в кожній точці поля, що оточує провідник, зросте:
Електроємність провідника чисельно дорівнює заряду, який потрібно повідомити провіднику для зміни його потенціалу на одиницю.
1 Ф - ємність провідника, якому потрібно повідомити заряд 1 Кл для зміни потенціалу на 1 В.
Ємність провідника не залежить від металу, з якого він виготовлений.
Ємність залежить від розмірів і форми провідника, навколишнього середовища і наявності поблизу інших провідників. У діелектрику ємність збільшується в раз.
Обчислимо ємність кулі:
Конденсатори і їх електроємність. Послідовне і паралельне з'єднання конденсаторів.
Ємність відокремлених провідників невелика, але вона різко зростає при наявності поруч інших провідників, тому що потенціал зменшується за рахунок протилежно спрямованого поле індукованих зарядів.
Ця обставина дозволила створити пристрої - конденсатори, які дозволяють при невеликих щодо оточуючих тел потенціалах накопичувати на собі ( «конденсувати») помітні за величиною заряди.
Конденсатор - система з двох провідників, розділених діелектриком, розташованих на невеликій відстані один від одного.
Поле зосереджено в просторі між обкладками.
за формою: плоскі, циліндричні, сферичні;
за родом діелектрика між обкладинками:
повітряні, паперові, слюдяні, керамічні;
по виду ємності: постійної і змінної ємності.
- позначення на радіосхемах
Ємність конденсатора чисельно дорівнює заряду, який потрібно повідомити однією з обкладок, щоб різниця потенціалів між ними змінити на одиницю.
Вона залежить від розмірів і форми обкладок, відстані і діелектрика між ними і не залежить від їх матеріалу.
Ємність плоского конденсатора:
S - площа обкладок, d - відстань між ними.
Ємність реального конденсатора визначається цією формулою тим точніше, чим менше d в порівнянні з лінійними розмірами обкладок.
а) паралельне з'єднання конденсаторів
за законом збереження заряду
б) послідовне з'єднання конденсаторів
Енергія електростатичного поля.
А. Енергія зарядженого провідника.
Якщо є заряджений провідник, то його заряд фактично «зліплений» з однойменних елементарних зарядів, тобто заряджений провідник має позитивну потенційної енергією взаємодії цих елементарних зарядів.
Якщо цього провідника повідомити однойменний з ним заряд dq, буде здійснена негативна робота dA. на величину якої зросте потенційна енергія провідника
де - потенціал на поверхні провідника.
При повідомленні незарядженому провіднику заряду q його потенційна енергія стане рівною
Б. Енергія зарядженого конденсатора.
Повна енергія зарядженого конденсатора дорівнює тій роботі, яку треба зробити для його зарядки. Будемо заряджати конденсатор, переносячи заряджені частинки з однієї пластини на іншу. Нехай в результаті такого перенесення до якогось моменту часу пластини придбали заряд q, а різниця потенціалів між ними стала рівною
Для перенесення чергової порції заряду dq необхідно зробити роботу
Отже, повна енергія, витрачена на зарядку конденсатора
Вся ця робота пішла на збільшення потенційної енергії:
Густина енергії електростатичного поля
Висловимо енергію електричного поля конденсатора через величини, що характеризують електричне поле:
де V = S d - обсяг, займаний полем.
Формула (1) пов'язує енергію конденсатора з зарядом на його обкладках, формула (2) - з напруженістю поля. Де ж локалізована енергія, що є носієм енергії - заряди чи поле? Відповідь випливає з існування електромагнітних хвиль, що поширюються в просторі від передавача до приймача і переносять енергію. Можливість такого перенесення свідчить про те, що енергія локалізована в поле і переноситься разом з ним. В межах електростатики безглуздо розділяти енергію заряду і поля, оскільки постійні в часі поля і що обумовлюють їх заряди не можуть існувати відокремлено одна від одної.
Якщо поле є однорідним (плоский конденсатор), укладена в ньому енергія розподіляється в просторі з постійною щільністю.
об'ємна щільність енергії.
Схожі роботи:
Закон Кулона. електростатичне поле
зовнішньому електріческомполе. Енергія взаємодії системи точкових нерухомих зарядів. 2.Енергія зарядженого провідника і зарядженого конденсатора.
Визначення електроемкостіконденсатора і діелектричної проникності діелектрика
Лабораторна робота >> Фізика
ємності конденсатора. Контрольні запитання 1. Що таке конденсатор. Що таке електроемкостьпроводніка. 2. Чи є електріческоеполеконденсатора однорідним.
Книга >> Промисловість, виробництво
конденсатора. 4. Густина енергії електріческогополя у рівномірно зарядженого нескінченного циліндричного провідника. 5.Об'емная щільність енергії електріческогополя.
Конспект >> Промисловість, виробництво
розгляду поведінки провідників. поміщених в електріческоеполе. а також питань, пов'язаних з розподілом зарядів на провідниках. електроемкостьюпроводніков і конденсаторів. Також.
Дипломна робота >> Інформатика
дозволяє створити електричну коливальну систему. Запасена в електріческомполеконденсатора енергія переходить в енергію магнітного поля в котушці.