3382

Потенциал электростатического поля. Диэлектрики в электростатическом поле

Лекция

Физика

Потенциал электростатического поля. Диэлектрики в электростатическом поле. Работа при перемещении заряда в электростатическом поле. Потенциал. Разность потенциалов. Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля. Эквип...

Русский

2012-10-30

350 KB

46 чел.

Потенциал электростатического поля. Диэлектрики в электростатическом поле.

  1.  Работа при перемещении заряда в электростатическом поле. Потенциал. Разность потенциалов.
  2.  Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности.
  3.  Диполь в электрическом поле. Поляризация диэлектриков.
  4.  Напряженность поля в диэлектрике. Электрическое смещение .

  1.  Работа при перемещении заряда в электростатическом поле. Потенциал. Разность потенциалов.

В любой точке поля, создаваемого неподвижным зарядом q0, на заряд q действует сила

Если заряд q перемещается из точки 1 в точку 2, то эта сила совершает работу.

Работа при элементарном перемещении выражается формулой

где dr - проекция на направление силы , т.е. приращение радиус-вектор .

Работа при перемещении из точки 1 в точку 2:

 

Из полученного выражения следует, что работа в электростатическом поле не зависит от траектории перемещения заряда, а определяется только положениями начальной 1 и конечной 2 точек. Следовательно, электростатическое поле является потенциальным, а электростатические силы - консервативными.

Тело, находящееся в потенциальном поле сил (а электростатическое поле является потенциальным), обладает потенциальной энергией, за счет которой силами поля совершается работа. Как известно из механики, работа консервативных сил совершается за счет убыли потенциальной энергии. Поэтому работу можно представить как разность потенциальных энергий, которыми обладает заряд q в начальной (1)  и конечной (2) точках:

откуда следует, что потенциальная энергия заряда  в поле заряда  равна

которая, как и в механике, определяется не однозначно, а с точностью до произвольной постоянной С. Если считать, что при удалении заряда  в бесконечность () потенциальная энергия обращается в нуль (), то С=0.

Потенциальная энергия заряда  в поле заряда  на расстоянии от него: ,

для одноименных зарядов ,

для разноименных зарядов .

Разные заряды  будут обладать в одной и той же точке поля различной энергией , однако отношение   в данной точке для всех зарядов будет одинаково и называется потенциалом электростатического поля в данной точке:

Потенциал поля в данной точке - это скалярная физическая величина, численно равная потенциальной энергии, которой обладает единичный положительный заряд в данной точке поля.

1 В - это потенциал точки поля, в которой положительный заряд в 1 Кл обладает потенциальной энергией 1 Дж.

Потенциал - энергетическая характеристика поля. Условно принято считать более высоким потенциал той точки поля, которая ближе к положительному заряду - источнику поля.

Потенциал в некоторой точке поля, созданного системой зарядов, равен алгебраической сумме потенциалов полей, созданных каждым зарядом в отдельности: если

Потенциал поля точечного заряда (шара):

.

Т.к.  .

В точке с потенциалом  1 заряд  q  обладает потенциальной энергией

Wр1 =q1,

в точке с потенциалом 2:

Wр2 =q2.

Работу перемещения заряда из точки с потенциалом 1  в точку с 2 можно представить как изменение потенциальной энергии:

A = Wр1 - Wр2 = q1 - q2= q(1-2),

- разность потенциалов (напряжение) между точками.

Разность потенциалов между двумя точками электростатического поля - физическая величина, численно равная работе по перемещению пробного заряда между этими точками.

Если заряд из точки с потенциалом удаляется на бесконечность, где  

Таким образом, потенциал поля в данной точке численно равен работе, совершаемой силами поля над пробным зарядом для удаления его из данной точки на бесконечность.

1В - потенциал такой точки поля, для перемещения в которую из бесконечности пробного заряда необходимо совершить работу 1 Дж.

  1.  Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности.

Как известно из механики, если работа совершается за счет потенциальной энергии, то она равна убыли :

   (1)

Определим работу в том случае, когда перемещение  заряда  так мало, что на всем его протяжении силу  можно считать постоянной по величине и направлению

 (2)

где   - проекция  на направление

Т.к. Wр =q,       (3)

Подставим (2), (3)  в (1)

.

Таким образом, проекция  на произвольное направление  равна взятой с обратным знаком производной по , т.е. скорости убывания потенциала вдоль направления .

В электростатическом поле всегда существует направление, вдоль которого скорость изменения потенциала наибольшая. Например, в поле точечного заряда это радиальное направление. Обозначим его .

Напряженность поля  равна градиенту потенциала со знаком минус.

Знак минус означает, что вектор  направлен в сторону убывания потенциала.

Для однородного поля:

А=

Найдем работу перемещения заряда q в направлении, перпендикулярном линиям  .

(т.к. ).

С другой стороны,

т.е. .

Таким образом, изменение потенциала в направлении, перпендикулярном силовым линиям, равно нулю, т.е. в этом направлении потенциал не изменяется. В электрическом поле можно провести поверхность, все точки которой имеют одинаковый потенциал.

Воображаемая поверхность, все точки которой имеют одинаковый потенциал, называется эквипотенциальной.

Работа перемещения заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю, т.к. 1=2.

Эквипотенциальные поверхности всегда перпендикулярны линиям . Их условились проводить таким образом, чтобы  для двух соседних поверхностей была одинакова.

  1.  Диполь в электрическом поле. Поляризация диэлектриков.

Электрическим диполем называется система двух одинаковых по величине разноименных точечных зарядов, расстояние между которыми значительно меньше расстояний до тех точек, в которых определяется поле диполя.

Прямая, проходящая через оба заряда, называется осью диполя.

Вектор, соединяющий заряды и направленный от отрицательного заряда к положительному, называется плечом диполя.

Диполь характеризуется электрическим или дипольным моментом.

,  

Электрический момент диполя (дипольный момент) - это вектор, численно равный произведению заряда диполя на его плечо и сонаправленный с плечом диполя.

В однородном электрическом поле диполь будет поворачиваться и располагаться вдоль силовых линий. Силы, действующие на оба заряда, равны и противоположно направлены, такая пара сил лишь вращает диполь.

В неоднородном поле силы имеют разную величину, поэтому диполь будет не только вращаться, но и втягиваться в область более сильного поля.

 Диэлектриками (изоляторами) называются вещества, не способные проводить электрический ток. Диэлектрики не имеют свободных зарядов. Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, называются связанными. Под действием поля они могут немного смещаться из своих положений равновесия, но покинуть молекулу не могут.

Молекулы диэлектрика электрически нейтральны, т.к. содержат равное число положительных и отрицательных зарядов.

Диэлектрик называется неполярным, если электроны атомов в его молекулах расположены симметрично относительно ядер (Н2, О2, СС14). При этом центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают в отсутствие внешнего электрического поля (1=0) и дипольный момент молекулы равен нулю.

Диэлектрик называется полярным, если электроны располагаются несимметрично относительно ядер атомов, составляющих молекулу (Н2О, НС1, NH3). В таких молекулах центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают, находясь, практически, на постоянном расстоянии 1 друг от друга. Такие молекулы обладают постоянным дипольным моментом и по своим электрическим свойствам подобны жестким диполям.

Действие внешнего электрического поля на полярную молекулу сводится в основном к стремлению повернуть молекулу так, чтобы ее дипольный момент ориентировался вдоль поля. На величину  внешнее поле практически не влияет.

В неполярной молекуле под действием поля электрические заряды смещаются друг относительно друга, молекула приобретает дипольный момент, величина которого пропорциональна напряженности поля.

Таким образом, в отсутствии внешнего поля дипольные моменты молекул диэлектрика либо равны нулю (у неполярных), либо распределены в пространстве хаотически (у полярных), так что суммарный дипольный момент диэлектрика равен нулю.

Под действием внешнего поля вследствие ориентации дипольных моментов молекул диэлектрик поляризуется, результирующий дипольный момент диэлектрика становится отличным от нуля, на поверхности диэлектрика появляются связанные электрические заряды.

Поляризация диэлектрика означает, что результирующий дипольный момент диэлектрика становится отличным от нуля.

В качестве величины, характеризующей степень поляризации диэлектрика, естественно взять дипольный момент единицы объема. Если поле или диэлектрик (или они оба) неоднородны, степень поляризации в различных точках будет различна.

 Вектором поляризации (поляризованностью) называется отношение дипольного момента малого объема  V диэлектрика к величине этого объема

Таким образом, поляризованность определяется дипольным моментом единицы объема диэлектрика.

У изотропных диэлектриков любого типа поляризованность прямо пропорциональна напряженности поля в той же точке:

где  - диэлектрическая восприимчивость диэлектрика, безразмерная, постоянная для данного диэлектрика величина.

По способности смешаться относительно положения равновесия под действием внешнего электрического поля заряды условно делят на свободные и связанные.

Свободными называют заряды, способные свободно перемещаться в теле под действием внешнего электрического поля (валентные электроны в проводниках, электроны  и дырки в полупроводниках).

Связанными называют заряды, входящие в состав молекул диэлектриков, которые под действием  внешнего электрического поля могут лишь смешаться из своего положения равновесия, но покинуть молекулу не могут.

Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электрическое поле  пластину из однородного диэлектрика; при этом диэлектрик поляризуется, внутри диэлектрика возникает поле связанных зарядов ,

- поверхностная плотность свободных зарядов,

 - поверхностная плотность связанных зарядов.

результирующее поле внутри диэлектрика,

     (4)

Т.к. по определению   а

показывает, во сколько раз поле ослабляется в диэлектрике.

 (5)

Подставим (5) в (4)

  - связь    с  

 (6)

Подставим  (6)  в  (5):

- связь  с Е.

Можно доказать, что .

Установим связь   с  .

Полный дипольный момент пластинки диэлектрика равен

где S - площадь грани пластинки, d - ее толщина.

С другой стороны, пластинку можно рассматривать как диполь, полный дипольный момент которого равен  

Таким образом,   ,

где S- площадь грани.

Поверхностная плотность связанных зарядов равна поляризованности диэлектрика .

Установим связь между    и  х:

Т.к.   то

.

Помимо основного вектора  в теории электричества оказывается необходимо ввести еще вектор электрической  индукции  (или вектор смещения).

Источником вектора  служат свободные и связанные заряды.

Источником вектора  служат только свободные заряды.

Как связаны между собой в однородном диэлектрике эти вектора?

Вектор  представляет поле свободных и связанных зарядов, вектор  - только поле свободных зарядов. Известно, что связанные  заряды возникают  из-за поляризации диэлектрика полем свободных зарядов. Поле связанных  зарядов параллельно полю свободных, направлено в противоположную сторону и пропорционально ему, поэтому вектор  и  в однородном и изотропном диэлектрике  должны быть параллельны и пропорциональны  друг другу.

Поскольку в однородной среде  с диэлектрической  проницаемостью  поле свободных зарядов  ослабляется средой в раз, можно записать

,

где  - коэффициент пропорциональности в СИ.

Таким образом,  

=1.

Вектор  и  в изотропном диэлектрике параллельны, но численно не совпадают, т.е. плотность линий разная.

Вектор электрической индукции  равен произведению скалярной величины  на вектор электрической напряженности.

Установим связь между

 - характеризует поле свободных зарядов;

характеризует поле связанных зарядов;

характеризует  поле свободных и связанных зарядов.


+

1

2

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

+

+

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

+

EMBED Equation.3  

+

-

+

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

-

EMBED Equation.3  

+

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

+

-

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

+

-

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

+

-

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84981. Велика буква в іменах, по-батькові та прізвищах людей 39.3 KB
  Формувати в учнів уміння розрізняти поняття „ім’я”, „по батькові”, „прізвище”; засвоювати правила написання з великої букви імен, по батькові та прізвищ людей; закріплювати знання про слова – назви предметів; розвивати вміння аналізувати, доводити; збагачувати словниковий запас учнів
84982. Велика буква у назвах міст, сіл, вулиць, річок 141.63 KB
  Формувати у учнів навички написання з великої букви назви міст, сіл, вулиць, річок; удосконалювати вміння розрізняти загальну і власну назви (без вживання терміну), вміння писати імена, по батькові, прізвища людей та клички тварин з великої букви; розвивати зв’язне мовлення, пам’ять...
84983. Вправи на закріплення та узагальнення знань про слова, які означають назви предметів 39.54 KB
  Повторювати і поглиблювати знання учнів про слова, які є назвами предметів; удосконалювати вміння розпізнавати ці слова серед інших слів; закріплювати навички написання слів з великої букви; розвивати зв’язне мовлення, вміння правильно висловлювати свою думку, поповнювати словникову скарбницю школярів
84984. Розпізнавання слів – назв предметів за питаннями хто? що? Малювання Колобка 488.21 KB
  Формувати вміння і навички розпізнавати слова, які відповідають на питання хто? що?, розвивати зв’язне мовлення, мислення, увагу, пам’ять; збагачувати словниковий запас; вчити малювати Колобка; виховувати любов до свого рідного міста; виховувати бережливе ставлення до хліба, а також працьовитість, дисциплінованість.
84985. Погодные условия и безопасность человека 27.54 KB
  Сформировать умения по обеспечению личной безопасности во время грозы гололеда и метели. Правила безопасного поведения во время грозы. Правила безопасного поведения во время метели. Сформировать убеждение в необходимости соблюдения правил безопасного поведения во время грозы при гололедице и во время метели.
84986. Безопасность на водоемах 29.17 KB
  Безопасность на водоемах Цель урока. Дать знания учащимся о состоянии водоемов в нашем городе и правила безопасного поведения на водоемах в разное время года. Сформировать убеждение в необходимости знать и соблюдать правила личной безопасности на водоемах. Общие правила безопасности при купании в водоемах.
84987. Криминогенные ситуации и личная безопасность 27.87 KB
  Сформировать убеждение в необходимости соблюдать правила личной безопасности при общении с незнакомыми людьми выработать умение в безопасном поведении в характерных криминогенных ситуациях. Правила личной безопасности в криминогенных ситуациях. Необходимо выработать у учащихся умение отказываться от нежелательного общения для обеспечения личной безопасности. Разобрать основные правила по обеспечению личной безопасности в различных ситуациях возникающих в повседневной жизни.
84988. Обеспечение личной безопасности дома 30.08 KB
  Изучаемые вопросы Общие правила безопасного поведения школьника если он остался дома один. Обсудить с учащимися рекомендации по соблюдению правил безопасного поведения дома если они в доме одни. Не открывайте дверь никому даже если эти люди представились работниками коммунальных услуг милиции или почты. Если вас просят принести попить или позвонить от вас объясните через дверь как дойти до ближайшего магазина и телефонаавтомата.
84989. Обеспечение личной безопасности на улице 30.24 KB
  Обеспечение личной безопасности на улице Цель урока. Познакомить учащихся с общими правилами безопасного поведения в случаях возникновения криминогенных ситуаций на улице. Сформировать убеждение в необходимости совершенствовать свои знания и умения в вопросах безопасного поведения на улице с учетом складывающейся криминогенной обстановки. Изучаемые вопросы Общие рекомендации по безопасному поведению на улице.