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

81831. Транспортная схема города 28.55 KB
  Комплексная транспортная схема сеть это линии городского маршрутизированного пассажирского транспорта по которым организовано движение массового общественного транспорта. Применение различных видов транспорта в транспортной сети определяется экологией безопасностью провозными возможностями наименьшими затратами времени сообщения а также комфортабельностью и регулярностью перевозок. Основные зоны города места тяготения нуждающиеся во взаимной транспортной связи это жилые кварталы общегородской центр места массового отдыха и...
81832. Скорость и сроки доставки грузов 21.8 KB
  Сроки доставки грузов а также порожних вагонов принадлежащих грузоотправителю грузополучателю или арендованных ими исчисляются на железнодорожной станции отправления исходя из расстояния по которому рассчитывается провозная плата с учетом железнодорожных направлений по которым осуществляются перевозки грузов. Неполные сутки при исчислении сроков доставки грузов считаются за полные. Перечень железнодорожных направлений по которым осуществляются перевозки грузов большой скоростью публикуется в Сборнике правил перевозок и тарифов на...
81833. Формы взаимодействия и конкуренции различных видов транспорта 26.94 KB
  Однако специфика каждого из видов транспорта их технические и технологические особенности заранее предопределяют области их использования на транспортном рынке что несколько ограничивает возможность конкуренции и способствует взаимодействию видов транспорта. Более эффективно и выгодно для потребителей взаимодействие автомобильного транспорта с железнодорожным в начальных и конечных пунктах его протяженных маршрутов. Учитывая недостаточную развитость автодорожной сети в России и технического сервиса конкуренция между этими видами транспорта...
81834. Технико – эксплуатационные характеристики трубопроводного транспорта 23.92 KB
  Действующая сеть трубопроводного транспорта в основном построена в 7090 годы XX века. Трубопроводный транспорт имеет следующие преимущества: 1 трубу можно проложить между любыми пунктами по более короткому направлению с преодолением водных преград 2 первоначальные удельные затраты на строительство одного километра трубопровода в 2 раза ниже чем на строительство железной или автомобильной дороги с соответствующей провозной способностью 3 эксплуатация трубопроводного транспорта непрерывно надежна т.
81835. Размещение производительных сил и транспортных узлов 23.87 KB
  При планировании и в практике размещения производительных сил в стране непременно учитывается конфигурация и мощность существующей сети путей сообщения и предусматривается ее развитие в соответствии с перспективными задачами народного хозяйства.
81836. Транспортная сеть города 26.41 KB
  Транспортная инфраструктура в планировочной структуре современного города является основой вокруг которой образуются и развиваются элементы городской среды: микрорайоны жилые районы общегородские и районные центры зоны в которых размещаются производственные предприятия объекты здравоохранения спортивные комплексы рекреационные объекты и т. Городская транспортная инфраструктура неразрывно связана с внешними междугородными транспортными коммуникациями являясь их логическим продолжением в планировочной структуре города и наоборот. Как...
81837. Технико – эксплуатационные характеристики промышленного транспорта 25.22 KB
  Промышленный транспорт - это совокупность транспортных средств, сооружений и путей промышленных предприятий, предназначенных для обслуживания производственных процессов, перемещения сырья, полуфабрикатов и готовой продукции на территории обслуживаемого предприятия.
81838. Классификация транспортных узлов по функциональным признакам 26.65 KB
  В отношении географического фактора узлы могут располагаться на территории где отсутствуют море и судоходные реки или на берегах указанных водоемов; на конструкции узлов оказывает влияние характер производительных сил род промышленности: добывающая обрабатывающая смешанная; наконец существенное влияние на конструкцию узлов оказывают размеры местных пассажирских перевозок. В этом отношении они могут быть подразделены на узлы: с одной станцией тупиковые треугольные крестообразные с последовательным расположением станций с...
81839. Производительность труда на разных видах транспорта 27.98 KB
  Рассмотренные экономические показатели тесно связаны между собой: с увеличением производительности труда снижается себестоимость возрастают прибыль и рентабельность перевозок. Производительность труда в целом по сети или отдельным железным дорогам и их отделениям определяется условнонатуральным методом ее расчета Птр=∑Pℓприв Чсп ∑Pℓприв=∑Pℓн2∑ℓ 4.При существующем дефиците трудовых ресурсов в стране показатель производительности труда приобретает особо важное значение при выборе того или иного вида транспорта.