рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Проводники в электростатическом поле. Конденсаторы

Проводники в электростатическом поле. Конденсаторы - раздел Физика, Общий курс физики физические основы   Если Поместить Проводник Во Внешнее Электростатическое Поле, ...

 

Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле, то это поле будет действовать на свободные заряды проводника, в результате чего они начнут перемещаться – положительные вдоль поля, отрицательные – против поля (рис. 1.17, а). На одном конце проводника будет накапливаться избыток положительного заряда, на другом конце – избыток отрицательного заряда. Процесс происходит до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в нуль (рис. 1.17, б).

Отсутствие поля внутри проводника () означает, что потенциал во всех точках внутри проводника постоянен, т.е. поверхность проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной. Отсюда же вытекает, что вектор поля направлен по нормали к каждой точке поверхности проводника.

 

 

Таким образом, нейтральный проводник, внесенный в электростатическое поле, разрывает часть линий напряженности: они заканчиваются на отрицательных наведенных зарядах и вновь начинаются на положительных зарядах. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

Рассмотрим уединенный проводник, т.е. проводник, который удален от других проводников, тел и зарядов. Его потенциал согласно формуле (1.17) прямо пропорционален заряду проводника. Опыт показывает, что разные проводники, будучи одинаково заряженными, имеют различные потенциалы. Поэтому для уединенного проводника можно записать

(1.38)

где коэффициент пропорциональности

(1.39)

называют электрической емкостью (емкостью) проводника. Емкость уединенного проводника есть физическая скалярная величина, характеризующая способность проводника накапливать электрические заряды.

Так как заряды распределяются на внешней поверхности проводника, емкость проводника зависит от его размеров и формы, но не зависит от материала, агрегатного состояния и наличия полостей внутри проводника.

Единицей емкости в СИ является фарад (Ф): 1 Ф – это емкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл.

Согласно (1.17) потенциал уединенного шара радиуса R, находящегося в однородной среде с диэлектрической проницаемостью , равен

Используя формулу (1.39), можно найти емкость шара:

Отсюда следует, что емкостью в 1 Ф обладал бы уединенный шар, находящийся в вакууме и имеющий радиус

что примерно в 1400 раз больше радиуса Земли (электрическая емкость Земли примерно 0,7 миллифарад). Следовательно, фарад – очень большая величина, поэтому на практике используются дольные единицы фарада: 1 мкФ = 10-6 Ф, 1 нФ = 10-9 Ф, 1 пФ = 10-12 Ф.

Как следует из рассмотренного примера, для того, чтобы проводник обладал значительной электроемкостью, он должен иметь очень большие геометрические размеры. На практике, однако, необходимы устройства, обладающие способностью накапливать значительные по величине заряды при малых размерах и небольших потенциалах. Такие устройства называются конденсаторами.

Допустим, что уединенный проводник А имеет форму шара. Так как он уединенный, его заряд равномерно распределен по поверхности и напряженность поля в точке М равна (рис. 1.18, а). Поместим теперь справа от А незаряженный проводник В. Под действием поля шара в В произойдет перераспределение свободных носителей заряда: на ближнем к А конце проводника В индуцируется поверхностный заряд противоположного знака, а на дальнем конце – одноименного с знака (рис. 1.18, б). В свою очередь перераспределяется по поверхности шара А и заряд так, чтобы скомпенсировать внутри него поле зарядов, индуцированных на теле В. В результате перераспределения зарядов в проводниках А и В напряженность поля в точке М уменьшится:. Это соотношение справедливо для всех точек, лежащих на прямой ОМ слева от А. Поскольку и потенциал проводника понижается, что приводит к увеличению его емкости ().

Таким образом, конденсатор работает по принципу: электроемкость неуединенного проводника всегда больше электроемкости того же проводника, когда он уединен.

Конденсатор представляет собой систему двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком. На емкость конденсатора не должны оказывать влияние окружающие тела, поэтому проводникам придают такую форму, чтобы поле, создаваемое накапливаемыми зарядами, было сосредоточено в узком зазоре между обкладками конденсатора. Этому условию удовлетворяют: а) две плоские пластины; б) два соосных цилиндра; в) две концентрические сферы. Поэтому в зависимости от геометрии обкладок конденсаторы делятся на плоские, цилиндрические и сферические.

Так как поле сосредоточено внутри конденсатора, то линии напряженности поля начинаются на одной обкладке и кончаются на другой. Поэтому свободные заряды, возникающие на разных обкладках, являются равными по модулю разноименными зарядами.

Емкостью конденсатора называется физическая величина, равная отношению заряда , накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов между его обкладками:

(1.40)

Рассчитаем емкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга и имеющих заряды и . Если расстояние между пластинами мало по сравнению с их линейными размерами, то поле между обкладками можно считать однородным и его напряженность согласно (1.27) равна

Учитывая связь между напряженностью поля и потенциалом (), разность потенциалов между пластинами, расстояние между которыми d, равна

(1.41)

Заменяя в формуле (1.40) , с учетом (1.41) получим:

(1.42)

Приведем без вывода формулы для расчета емкости конденсаторов других конструкций:

- емкость цилиндрического конденсатора

где R и r – радиусы коаксиальных цилиндров, L – длина образующей цилиндров;

- емкость сферического конденсатора

где R и r – радиусы сфер.

Конденсаторы характеризуются пробивным напряжением – такой разностью потенциалов между обкладками, при которой происходит пробой – электрический разряд через слой диэлектрика в конденсаторе. Величина пробивного напряжения зависит от формы обкладок, свойств диэлектрика и его толщины.

Для увеличения емкости и варьирования ее возможных значений конденсаторы соединяют в батареи. Различают два вида соединений - параллельное и последовательное.

При параллельном соединении (рис. 1.19, а) разность потенциалов между обкладками всех конденсаторов одинакова и составляет . Если емкости отдельных конденсаторов то их заряды равны

Общий заряд батареи равен сумме зарядов всех конденсаторов

Полная емкость батареи

(1.43)

т.е. при параллельном соединении конденсаторов электрическая емкость батареи равна сумме емкостей входящих в нее конденсаторов. Пробивное напряжение такой батареи равно пробивному напряжению того из конденсаторов, у которого оно наименьшее.

 

При последовательном соединении (рис. 1.19, б) заряды всех конденсаторов одинаковы и равны заряду батареи. Разность потенциалов на зажимах батареи равна сумме разностей потенциалов на обкладках каждого из конденсаторов

 

где

С другой стороны,

откуда

или

(1.44)

т.е. при последовательном соединении конденсаторов суммируются величины, обратные емкостям входящих в батарею конденсаторов. При таком соединении электрическая емкость батареи всегда меньше наименьшей емкости конденсатора, используемого в батарее. Преимущество последовательного соединения конденсаторов состоит в том, что на каждый конденсатор приходится лишь часть разности потенциалов между клеммами батареи, что уменьшает вероятность пробоя конденсаторов.

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Общий курс физики физические основы

Государственное образовательное учреждение.. высшего профессионального образования.. владимирский государственный университет..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Проводники в электростатическом поле. Конденсаторы

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Основной закон электростатики
  Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов экспериментально установлен в 1785 г. французским физиком Ш. Кулоном с помощью крутильных весов. Поэтому силы электро

Электростатическое поле. Напряженность поля
  Если в пространство, окружающее электрический заряд, внести другой заряд, то между ними возникнет кулоновское взаимодействие. Следовательно, в пространстве, окружающем электрические

Поля. Потенциал поля
  Если в электростатическом поле точечного заряда из точки 1 в точку 2 вдоль произвольной траектории перемещаетс

Электростатического поля
  Напряженность и потенциал – различные характеристики одной и той же точки поля. Следовательно, между ними должна существовать однозначная связь. Работа по перемещению едини

Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме
  Вычисление напряженности поля большой системы электрических зарядов с помощью принципа суперпозиции электростатических полей

Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
  Диэлектриками называют вещества, которые при обычных условиях практически не проводят электрический ток. Согласно представлениям классической физики в диэлектриках в отличие

Энергия электростатического поля
  Электростатические силы взаимодействия консервативны, следовательно, система зарядов обладает потенциальной энергией. Пусть имеется уединенный проводник, заряд емкос

Задачи для самостоятельного решения
1. Расстояние между зарядами и равно 10 см. Определить силу, действующую на

Электрический ток и его характеристики
  Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Различают два вида электрических токов – токи проводимости и конвек

Закон Ома в дифференциальной форме
  Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение зарядов от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это при

Электроизмерительные приборы
  Электрическая цепь представляет собой совокупность различных проводников и источников тока. В общем случае цепь является разветвленной и содержит участки, где проводники могут соеди

Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца
  Рассмотрим однородный проводник, по концам которого приложено напряжение . За время dt через поперечное сечение прово

Закон Ома в интегральной форме
  + Для однородного участка цепи, т.е. для участка, на котором не действуют сторо

Расчет разветвленных цепей постоянного тока
  Закон Ома в интегральной форме позволяет рассчитывать практически любую электрическую цепь. Однако непосредственный расчет разветвленных цепей, содержащих замкнутые контуры, достато

Задачи для самостоятельного решения
1. Какой заряд пройдет через поперечное сечение проводника за время от 5 с до 10 с, если сила тока изменяется со временем по закону

Магнитное поле и его характеристики
  I Опыт показыв

Закон Био-Савара-Лапласа
  После опытов Эрстеда начались интенсивные исследования магнитного поля постоянного тока. Французские физики Био и Савар в первой четверти XIX в. изучали магнитные поля, создаваемые

Магнитное поле движущегося заряда. Сила Лоренца
Любой проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. В свою очередь ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов. Отсюда следует, что каждый движущийся в

Проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера
Обобщая результаты действия магнитного поля на различные проводники с током, А. Ампер установил, что сила , с которой магнитное поле действ

Циркуляция вектора индукции магнитного поля в вакууме
Аналогично циркуляции вектора напряженности электростатического поля в магнитном поле вводится понятие циркуляции вектора магнитной индукци

Теорема Гаусса для магнитного поля в вакууме
  Потоком вектора магнитной индукции или магнитным потоком сквозь малую поверхность площадью dS называется скалярная физическая величина, равная

Магнитные свойства вещества
Не все вещества одинаково проводят силовые линии магнитного поля. Так, например, через железо магнитные силовые линии проходят во много раз легче, чем через воздух. Другими словами способность желе

Задачи для самостоятельного решения
  1. По длинному прямому проводу течет ток силой 60 А. Определить индукцию магнитного поля в точке, удаленной от проводника на 5 см. (Ответ: 0,24 мТл).

Закон электромагнитной индукции
Как отмечалось, вокруг любого проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Английский физик М. Фарадей считал, что между электрическими и магнитными явлениями существует тесная взаимо

Явление самоиндукции. Индуктивность контура
  Электрический ток, протекающий в замкнутом контуре, создает вокруг себя магнитное поле, индукция B которого по закону Био-Савара-Лапласа пропорциональна силе тока (B~I

Взаимная индукция
  Если два контура расположены один возле другого и в каждом из них изменяется сила тока, то они будут взаимно влиять друг на друга. Изменение

Энергия магнитного поля
Магнитное поле, подобно электрическому полю, является носителем энергии. Естественно предположить, что энергия магнитного поля равна той работе, которая затрачивается электрическим током на создани

Практическое применение электромагнитной индукции
  Явление электромагнитной индукции используется, прежде всего, для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели применяются генераторы переменн

Задачи для самостоятельного решения
1. В однородном магнитном поле с индукцией перпендикулярно полю движется проводник длиной

Вихревое электрическое поле
В 60-х годах XIX в. английский ученый Дж. Максвелл (1831-1879) обобщил экспериментально установленные законы электрического и магнитного полей и создал законченную единую теорию электромагнитног

Ток смещения
  Ток смещения введен Максвеллом для установления количественных соотношений между переменным электрическим полем и вызываемы

Уравнения Максвелла для электромагнитного поля
  Созданная Максвеллом единая макроскопическая теория электромагнитного поля позволила с единой точки зрения не только объяснить электрические и магнитные явления, но предсказать новы

Некоторые знаменательные события в истории развития электродинамики
  Год Событие Ученый Начаты опыты, приведшие к открытию электрического тока (опыты описаны в

Дивергенция векторного поля
Дивергенцией векторного поля (обозначается ) называют следующую производну

Библиографический список
1. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. – М.: Наука, 1989. 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высш. шк., 1989. – 608 с. 3. Курс физики: Учеб. для вузов: В 2 т. /

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги