3420

Проводники в электрическом поле. Электроемкость проводников и конденсаторов

Лекция

Физика

Проводники в электрическом поле. Электроемкость проводников и конденсаторов. Распределение зарядов на проводнике. Проводник во внешнем электрическом поле. Электроемкость уединенного проводника. Электроемкость шара. Конденсаторы и и...

Русский

2012-10-31

301.5 KB

58 чел.

Проводники в электрическом поле. Электроемкость проводников и конденсаторов.

  1.  Распределение зарядов на проводнике. Проводник во внешнем электрическом поле.
  2.  Электроемкость уединенного проводника. Электроемкость шара.
  3.  Конденсаторы и их электроемкость. Последовательное и параллельное соединение конденсаторов.
  4.  Энергия электростатического поля.

  1.  Распределение зарядов на проводнике. Проводник во внешнем электрическом поле.

Под словом «проводник» в физике понимается проводящее тело любых размеров и формы, содержащее свободные заряды (электроны или ионы). Для определенности в дальнейшем будем рассматривать металлы.

Если проводнику сообщить некоторый заряд q, то он распределится так, чтобы соблюдалось условие равновесия (т.к. одноименные заряды отталкиваются, они располагаются на поверхности проводника).

  1.  Если заряды проводника находятся в равновесии, то равнодействующая всех сил, действующих на каждый заряд, равна нулю:

т.к.   а    Е=0, то

в любой точке внутри проводника Е=0.

  1.  Т.к.

во всех точках внутри проводника потенциал постоянен.

  1.  Т.к. при равновесии заряды не движутся по поверхности проводника, то работа по их перемещению равна нулю:

т.е. поверхность проводника является эквипотенциальной.

  1.  Т.к. линии вектора  перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям, линии  перпендикулярны поверхности проводника.
  2.  Согласно теореме Гаусса  

Если S - поверхность заряженного проводника, то внутри нее  E=0,

т.е. заряды располагаются на поверхности проводника.

6. Выясним, как связана поверхностная плотность заряда с кривизной поверхности.

Для заряженной сферы

Плотность зарядов определяется кривизной поверхности проводника: растет с увеличением положительной кривизны (выпуклости) и убывает с увеличением отрицательной кривизны (вогнутости). Особенно велика  на острие. При этом имеющиеся в воздухе в небольшом количестве ионы обоих знаков и электроны разгоняются вблизи острия сильным полем и ударяясь об атомы газа, ионизируют их. Создается область пространственного заряда, откуда ионы того же знака, что и острие, выталкиваются полем, увлекая за собой атомы газа. Поток атомов и ионов, направленный от острия, создает впечатление «стекания зарядов». При этом острие разрежается попадающими на него ионами противоположного знака. Возникающее при этом ощутимое движение газа у острия называют «электрическим ветром».

Проводник во внешнем электрическом поле:

   

При внесении незаряженного проводника в электрическое поле его электроны (свободные заряды) приходят в движение, на поверхности проводника появляются индуцированные заряды, поле внутри проводника равно нулю. Это используют для электростатической защиты, т.е. экранировки электро- и радиоприборов (и человека) от влияния электростатических полей. Прибор окружают проводящим экраном (сплошным или в виде сетки). Внешнее поле компенсируется внутри экрана полем возникающих на его поверхности индуцированных зарядов.

  1.  Электроемкость уединенного проводника. Электроемкость шара.

Если заряд на проводнике увеличить в несколько раз, потенциал в каждой точке поля, окружающего проводник, возрастет:

Электроемкость проводника численно равна заряду, который нужно сообщить проводнику для изменения его потенциала на единицу.

1 Ф - емкость проводника, которому нужно сообщить заряд 1 Кл для изменения потенциала на 1 В.

Емкость проводника не зависит от металла, из которого он изготовлен.

Емкость зависит от размеров и формы проводника, окружающей среды и наличия вблизи других проводников. В диэлектрике емкость увеличивается в раз.

Вычислим емкость шара:

  1.  Конденсаторы и их электроемкость. Последовательное и параллельное соединение конденсаторов.

Емкость уединенных проводников невелика, но она резко возрастает при наличии рядом других проводников, т.к. потенциал уменьшается за счет противоположно направленного поля индуцированных зарядов.

Это обстоятельство позволило создать устройства - конденсаторы, которые позволяют при небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать на себе («конденсировать») заметные по величине заряды.

 Конденсатор - система из двух проводников, разделенных диэлектриком, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.

Поле сосредоточенно в пространстве между обкладками.

 Конденсаторы разделяются:

  1.  по форме: плоские, цилиндрические, сферические;
  2.  по роду диэлектрика между обкладками:

воздушные, бумажные, слюдяные, керамические;

  1.  по виду емкости: постоянной и переменной емкости.

-  обозначения на радиосхемах

Емкость конденсатора численно равна заряду, который нужно сообщить одной из обкладок, чтобы разность потенциалов между ними изменить на единицу.

.

Она зависит от размеров и формы обкладок, расстояния и диэлектрика между ними и не зависит от их материала.

Емкость плоского конденсатора:

 S - площадь обкладок, d - расстояние между ними.

Емкость реального конденсатора определяется этой формулой тем точнее, чем меньше  d по сравнению с линейными размерами обкладок.

а) параллельное соединение  конденсаторов

по закону сохранения заряда

Если C1 = C2 =  ...  = C ,  Cоб =CN.

б) последовательное соединение конденсаторов

Если С1 = С2 =  ...  = С,   .

  1.  Энергия электростатического поля.

А. Энергия заряженного проводника.

Если имеется заряженный проводник, то его заряд фактически «слеплен» из одноименных элементарных зарядов, т.е. заряженный проводник обладает положительной потенциальной энергией взаимодействия этих элементарных зарядов.

Если этому проводнику сообщить одноименный с ним заряд dq, будет совершена отрицательная работа dA, на величину которой возрастет потенциальная энергия проводника

,

где - потенциал на поверхности проводника.

dW = -dA = dq

При сообщении незаряженному проводнику заряда q его потенциальная энергия станет равной

,

т.к. .

Б. Энергия заряженного конденсатора.

Полная энергия заряженного конденсатора равна той работе, которую надо совершить для его зарядки. Будем заряжать конденсатор, перенося заряженные частицы с одной пластины на другую. Пусть в результате такого переноса к какому-то моменту времени пластины приобрели заряд q, а разность потенциалов между ними стала равной

.

Для переноса очередной порции заряда dq необходимо совершить работу

Следовательно, полная энергия, затраченная на зарядку конденсатора

от  0  до q

Вся эта работа пошла на увеличение потенциальной энергии:

    (1)

Объемная плотность энергии электростатического поля

Выразим энергию электрического поля конденсатора через величины, характеризующие электрическое поле:

   (2)

где V = S d - объем, занимаемый полем.

Формула (1) связывает энергию конденсатора с зарядом на его обкладках, формула (2) - с напряженностью поля. Где же локализована энергия, что является  носителем энергии - заряды или поле? Ответ вытекает из существования электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве от передатчика к приемнику и переносящих энергию. Возможность такого переноса свидетельствует о том, что энергия локализована в поле и переносится вместе с ним. В пределах электростатики бессмысленно разделять энергию заряда и поля, поскольку постоянные во времени поля и обуславливающие их заряды не могут существовать обособленно друг от друга.

Если поле однородно (плоский конденсатор), заключенная в нем энергия распределяется в пространстве с постоянной плотностью.

объемная плотность энергии.

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

+

+

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

.

1)

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

1

2

.

2)

-

+

-

+

-

+

-

+

2

1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41324. Исследование состава и возможностей ИС РПО для семейства МК АVR 3.63 MB
  Основные теоретические положения Программная среда АVR Studio Фирма Аtmel разработчик микроконтроллеров АVR очень хорошо позаботилась о сопровождении своей продукции. Для написания программ их отладки трансляции и прошивки в память микроконтроллера фирма разработала специализированную среду разработчика под названием АVR Studio Программная среда АVR Studio это мощный современный про граммный продукт позволяющий производить все этапы разработки программ для любых микрокон троллеров серии АVR ....
41325. Работа с ИС РПО для семейства МК АVR 5.99 MB
  Если уже есть файл с текстом программы на Ассемблере и просто необходимо создать проект а затем подключить туда готовый программный файл снимите соответствующую галочку. Оно должно содержать имя файла куда будет записываться текст программы. При выборе этого элемента диалог создания проекта будет автоматически запускаться каждый раз при запуске программы VR Studio.ps; файл куда будет помещен текст программы на Ассемблере Prog1.
41326. Лабораторная работа Определение скорости полета пули методом баллистического маятника 461 KB
  Приборы: пули свинцовые 5 штук; пневматическое ружье; баллистический маятник; аналитические весы 0001 г; технические весы 1 г; линейка 1 см; секундомер 01 с. где d расстояние от зеркальца до шкалы; n отклонение âзайчикаâ по шкале; расстояние от оси вращения до точки удара пули; l расстояние от оси вращения до центра тяжести; h высота поднятия цента тяжести;  угол отклонения; масса пули m.
41327. Основные закономерности движения простых колебательных систем. Изучение вынужденных колебаний 123 KB
  Найдем коэффициент возвращающей силы К и модуль Юнга Е. Теперь найдем добротность Q логарифмический декремент затухания  коэффициент затухания  коэффициент трения r частота резонанса Wрез: Итак подытожим результат: Е = 54 109  05 109 с1; К = 58  01 кгс1; W0 = Wрез= 622 с1; Q = 2074;  = 002;  = 02; r = 06.
41328. Измерение ускорения силы тяжести при помощи оборотного маятника Катера и механического секундомера 33.5 KB
  Положение ножа Х см Время с Период с1 67 71 142 84 168 82 915 183 91 183 Примерное значение А  81 см. Проведем измерения при нескольких значениях Х лежащих вблизи А: Положение ножа Х см Период Т1 с1 Период Т2 с1 825 184 183 820 184 181 815 183 181 810 183 180 805 182 179 800 182 179 795 182 179 Установим и измерим расстояние а между подшипниками: а = 8546 42 = 8504 мм. Определим центр инерции: а1 = 225 88 = 137 см Измерение периода колебаний Т I положение маятника: N1 = 100; t1 = 181 c.; N3...
41329. Измерение токов и напряжений 188.76 KB
  Цель работы: сравнение две возможные схемы включения амперметра и вольтметра; определение сопротивления амперметра и вольтметра. Приборы: три реостата (30 Ом, 5А; 30 Ом, 5А; 100 Ом, 2А), амперметр (класс точности 0.2; цена деления 0,05 А), вольтметр (точность 0.2; цена деления 1.5 В), выключатель и два переключателя
41330. Измерение токов и напряжений. Дополнение к лабораторной работе 40.5 KB
  Гадуировка шкалы – до 100 В; установка – до 150 В, относительно всей шкалы. Тогда одно деление равно 150/100 = 1,5 В. Vотсч = 0,5 * 1,5 = 0,75 В
41331. Определение отношения e/m при помощи фокусировки электронного пучка в продольном магнитном поле 219 KB
  Приборы: потенциометр 100 Ом 2А вольтметр градуировка 600 В вся шкала 1200 В класс точности 10 амперметр градуировка 150 А вся шкала 3 А класс точности 05. а Ищем Vград Класс точности = 10; Vград Vномин = 001; Vград = 1200 001 = 12 В Vград = 12 В б Ищем Vотсч Градуировка шкалы до 600 В; установка до 1200 В относительно всей шкалы. Общая формула: а Ищем Iград Класс точности = 05; Iград Iномин = 0005; Iград = 3 0005 = 0015 А Iград = 0015 А б Ищем Iотсч Градуировка шкалы до 150 А; установка до 3...
41332. Определение моментов инерции тела 329.5 KB
  Отчет по работе № 90 “Определение моментов инерции тела” студента 12 группы I курса Василькова Сергея Дмитриевича. Приборы: штангенциркуль (0,05 мм); весы (гиревые) (1 г); секундомер (0,1 с). Изучаемый прибор...