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

57 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

20172. Методы, связанные с командой READ 57.5 KB
  В Visual FoxPro форма выводится на экран методом Show а для обновления данных нужно использовать метод Refresh следующим образом: Form1. Поля записываются только при перемещении показателя текущей записи 2Optimistic записи блокируются только при попытке записи данных. Другими словами представления позволяют пользователям сосредоточить внимание и возможно логически реструктурировать только ту часть базы данных которая их интересует и игнорировать остальные данные. Для скрытых данных обеспечивается автоматическая защита.
20173. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 326.23 KB
  Снять зависимость напряжения на выходе дросселя насыщения от величины тока в обмотке подмагничивания при = const. S7 тумблер подключения обмотки переменного напряжения к источнику. Поскольку сердечники ФРС имеют различную степень насыщенности магнитопровода то изменение напряжения сети U1 в обмотке W1 мало влияет на величину магнитного потока в стержне с меньшим сечением и соответственно на величину наводимого напряжения вторичной обмотки W2.
20174. МНОГОФАЗНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ 321.5 KB
  Определение процентного изменения напряжения на сопротивление нагрузки. Снятие осциллограмм напряжения выпрямительных схем работающих на различные виды нагрузки. Так как фазные напряжения Uа Uв Uс сдвинуты друг относительно друга на 120 то вентили работают поочередно каждый в течение 1 3 периода. Основные соотношения характеризующие работу схемы на активную нагрузку: При работе выпрямителя на активно индуктивную нагрузку отношения напряжений остаются практически теми же что и при чисто активной нагрузке появляется только падение...
20175. ИССЛЕДОВАНИЕ СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ ВЫПРМИТЕЛЯ 147.5 KB
  Экспериментальное определение коэффициента пульсации на входе и выходе фильтров и коэффициентов фильтрации фильтров различного типа. Краткие сведения о сглаживающих фильтрах. Данная лабораторная работа посвящена знакомству с пассивными фильтрами типа LC. В сглаживающих фильтрах применяются специальные катушки индуктивности магнитопроводы которых имеют воздушный немагнитный зазор.
20176. Аналоговый электронный вольтметр 824.5 KB
  Измерение переменного напряжения. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Измерение напряжения и силы тока наиболее распространенный вид измерений. В различных областях науки и техники эти измерения осуществляются в широком диапазоне частот от постоянного тока и инфранизких частот сотые доли герца до сверхвысоких частот 1 ГГц и более и в большом диапазоне измеряемых значений напряжения и тока соответственно от нановольт до сотен киловольт и от 1016 до десятков и сотен ампер при большом многообразии форм измеряемого напряжения и тока. Измерение постоянных...
20177. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ И ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ 486 KB
  Измерение частоты периода и других временных параметров электрических сигналов является одной из важнейших задач в радиотехнике и телекоммуникационных системах. Аппаратура для частотновременных измерений образует единый комплекс приборов обеспечивающий возможность проведения измерений с непосредственной их привязкой к Государственному эталону частоты и времени. Основными измерительными приборами и средствами данных измерений являются: осциллографы; приемники сигналов эталонных частот и компараторы; преобразователи частоты сигналов;...
20178. Средства измерения. Аналоговые электромеханические приборы 1011 KB
  [2] Метод непосредственной оценки при измерении электрического тока. Метод непосредственной оценки при измерении электрического тока. Перед измерением тока нужно иметь представление: о его частоте форме ожидаемом значении требуемой точности измерения и сопротивлении цепи в которой производится измерение. Для измерения тока применяют метод непосредственной оценки.
20180. Электродинамические приборы 391.5 KB
  15 Если через катушки пропустить переменные синусоидальные токи и то подвижная часть прибора будет реагировать на среднее значение вращающего момента где I1 и I2 – действующие значения тока;  фазовый сдвиг между ними. Значит уравнение 15 для переменного тока примет вид: 16 Из формул 15 и 16 ясно что показания приборов электродинамической системы пропорциональны произведению токов протекающих по катушкам; градуировка шкалы на постоянном токе справедлива и для переменных токов. Выпускаются амперметры электродинамической...