4. Распределение зарядов в проводнике. Поля внутри проводника и у его поверхности. Электростатическая защита
Поле внутри проводника
Проводник – вещество, имеющее свободные носители зарядов (положительные и отрицательные). Свободные заряды могут беспрепятственно перемещаться по всему объёму проводника. В отсутствии внешнего поля движение зарядов будет хаотичным и беспорядочным.
При помещении проводника во внешнее поле начнётся движение зарядов: положительные будут двигаться по полю, отрицательные – противоположно полю до установления равновесного распределения зарядов.
Вблизи поверхности проводника линии напряжённости будут направлены по нормали к поверхности проводника:
Разрыв линий напряжённости. Электростатическая защита
Вблизи поверхности проводника наблюдается искажение и разрыв линий напряжённости. Если проводник имеет избыточный заряд (положительный или отрицательный), то в присутствии внешнего поля заряды распределятся только по поверхности проводника.
Электростатическая защита
Т. к. внутри проводника поля нет, то наличие полости внутри проводника на внешнее поле влияния не окажет.
Если теперь такой проводник заземлить, т. е. сделать потенциал во всех точках равным потенциалу Земли (0), то полость будет изолирована от влияния внешних полей. На этом основан принцип электростатической защиты.
5. Электроёмкость проводников. Электроёмкость уединённого проводника (шара). Конденсаторы. Ёмкость конденсаторов различной геометрической конфигурации (плоский и цилиндрический конденсаторы). Соединение конденсаторов
Ёмкость уединённого проводника
Уединённый проводник – это проводник, который удалён от других проводников тел зарядов. Его потенциал пропорционален заряду проводника.
– ёмкость уединённого проводника
Ёмкость проводника зависит от его размеров и формы, но не зависит от материала агрегатного состояния, формы и размеров полости внутри проводника, а также не зависит от заряда и потенциала проводника.
Ёмкость в 1 фарад – это ёмкость такого уединённого проводника, потенциал которого изменяется на 1 вольт при сообщении заряда в 1 кулон.
Рассчитаем ёмкость уединённого шара
радиуса R, находящегося в среде, с
диэлектрической проницаемостью
:
На практике часто используют следующие величины:
Конденсаторы
Конденсатор – устройство, обладающее способностью при малых размерах и небольших относительно окружающих тел потенциале накапливать значительный по величине заряд, т. е. обладающее большой ёмкостью.
Конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), разделённых диэлектриком.
В зависимости от формы обкладок конденсаторы бывают следующих типов:
1) плоский конденсатор (обкладками являются две плоские пластины);
2) цилиндрический (обкладками являются два коаксиальных цилиндра);
3) сферический (обкладками являются две концентрические сферы).
Ёмкость плоского конденсатора
Ёмкость конденсатора – физическая величина, равная отношению заряда, накопленного в конденсаторе к разности потенциалов между его обкладками.
Рассчитаем ёмкость плоского конденсатора:
– ёмкость плоского конденсатора
Ёмкость конденсаторов различной геометрической конфигурации
цилиндрический (коаксиальные цилиндры)
сферические (концентрические сферы)
Соединение конденсаторов
Параллельное соединение – соединение, при котором все положительно заряженные обкладки присоединены к одному проводу, а отрицательно заряженные – к другому.
В этом случае:
1) напряжение на всех конденсаторах одинаковы и равны общему напряжению
2) заряд на батарее равен сумме зарядов на отдельных конденсаторах
3) ёмкость батареи равна сумме емкостей конденсаторов, составляющих данную батарею
В этом случае ёмкость батареи больше самой большой ёмкости конденсаторов.
Последовательное соединение – соединение, при котором отрицательно заряженная обкладка предыдущего конденсатора соединяется с положительно заряженной обкладкой другого конденсатора:
В этом случае:
1) напряжение на батарее равно сумме напряжений на последовательно соединённых конденсаторах
2) на всех обкладках конденсаторов одинаковые по величине заряды
3) величина, обратная общей ёмкости батареи, равна сумме обратных величин емкостей, составляющих данную батарею
В данном случае ёмкость батареи меньше самой маленькой из емкостей конденсатора.
6. Диполь в электрическом поле. Энергия диполя, помещённого в электрическое поле. Свободные и связанные заряды. Вектор поляризации и его связь с поверхностной плотностью связанных зарядов. Поляризация деформационная и ориентационная
Диэлектрики. Диполь в электрическом поле
Электрический диполь – это система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов, расстояние между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля. Поле, создаваемое такой системой, находится по принципу суперпозиции.
– плечо диполя
– дипольный момент
Типы диэлектриков
Молекулу диэлектрика можно рассматривать как электрический диполь.
Молекулы, составляющие диэлектрик, бывают неполярные, полярные, ионы.
Неполярные: в отсутствии внешнего поля дипольный момент равен нулю, и под действием внешнего поля молекула приобретает дипольный момент.
Полярные молекулы: дипольные моменты ориентированы хаотично в отсутствии внешнего поля, а под действием внешнего поля диполи будут поворачиваться по полю, => возникает дипольный момент.
Ионы: представляют собой систему вдвинутых одна в другую ионных подрешёток, => под действием поля происходит смещение подрешёток, => возникает дипольный момент.
Поляризация – это процесс ориентации диполей или появления под воздействием электрического поля ориентируемых по полю диполей.
Нескомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называются связанными.
(Свободные заряды – электроны, ионы.)
Виды поляризации:
Электронная (деформационная) – возникновение у атомов дипольного момента за счёт деформации электронных орбит.
Ориентационная (дипольная) – ориентация дипольных моментов по полю.
Ионная – смещение подрешётки положительных ионов вдоль поля, отрицательной – против поля.
– поляризованность (дипольный
момент единицы объёма)
æ – диэлектрическое восприятие вещества æ > 0
æ → безразмерная величина