Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Lek_4_ELEKTROEMKOST

.pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
29.05.2015
Размер:
645 Кб
Скачать
☆

 

 

 

 

 

 

 

( 1 2 ) E d

 

• Напряженность

поля

 

между

конденсатора:

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

• Разность

потенциалов

между

конденсатора (7 6):

(6)

обкладками

(7)

обкладками

(

)

qd

 

1

2

 

S

 

 

 

 

 

 

0

• По определению емкость конденсатора:

 

C

q

 

 

 

 

(

)

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

• Подставляя (8) в (9),

 

 

получаем

электроемкости плоского конденсатора:

(8)

(9)

формулу

 

 

C

S

0

 

 

d

(10

5. Электроемкость сферического конденсатора

ε

R

 

2

R1

r

q q

 

O

P

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

Рис. 7

 

• Сферический

конденсатор пред-

E(r)

ставляет две

концентрические

металлические сферы (обкладки),

 

 

пространство

между которыми

 

заполнено диэлетриком с диэлект-

 

рической проницаемостью

 

 

(рис. 7).

 

 

 

 

• Сообщим обкладкам заряд

 

q

.

 

 

 

 

• Между обкладками возникнет поле, напряженность которого зависит от расстояния r – E E(r) .

• Для любой точки

 

 

поля между

конденсатора, в том числе и для точки

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

1

 

 

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

0

 

r2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Учтем также, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

d

 

 

 

 

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Из (11) и (12) следует, что

обкладками

(11

(12

 

q

dr

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

d

 

 

2

 

q

2

dr

 

4

r

 

d

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

4

 

r

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

• После интегрирования получаем:

( 1

2 )

q

 

1

 

1

 

(13)

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

4

 

R2

 

• Подставляя (13) в ключевую формулу электроемкости

конденсатора – формула (2), получаем:

C

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

q

1

 

1

4

 

R

R

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

C

4

0 R1R2

(14)

R2

R1

 

 

• Формула (14) выражает электроемкость сферического

конденсатора.

• Бесконечно увеличивая радиус

 

,

 

 

R

получаем уже

 

 

2

 

 

 

известную формулу электроемкости шара:

 

 

Cш 4

0 R

(15)

6. Электроемкость цилиндрического

1

R1

 

 

 

 

ε

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

 

2

 

R2

q

r E(r)

P

конденсатора

• Цилиндрический конденсатор

представляет систему, состоящую из двух соосных (коаксиальных) цилиндров (рис. 1).

• Для цилиндрического конденсато-

ра необходимым и достаточным является выполнение условия:

 

 

h (R

R ) d

2

1

• Электрическое поле цилиндриче-

Рис. 8 ского конденсатора сосредоточено между обкладками конденсатора и создается исключительно зарядом внутреннего цилиндра.

• Электрическое поле между обкладками конденсатора

является функцией расстояния от оси коакситальных цилиндров и, как это уже было показано ранее на примере поля заряженного бесконечно протяженного цилиндра, определяется по формуле:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

q

 

линейная

плотность

заряда

на

 

h

внутреннем цилиндре.

 

 

 

 

 

 

 

 

С учетом этого замечания напряженность поля цилиндрического конденсатора запишем в виде:

E

q

(16)

 

 

2

0 rh

 

 

Разность

потенциалов

между

обкладками

конденсатора находим из условия:

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

q

dr

 

 

 

 

E

 

d Edr

 

 

2 h

r

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

• Интегрируем:

 

 

 

 

 

 

 

 

2

q

R2

dr

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

2 h

r

 

 

1

R1

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

q

ln

R

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 h

 

R

 

 

 

 

 

0

 

1

 

 

(17)

• Подставляя (17) в ключевую формулу электроемкости

конденсатора – формула (2), получаем:

C

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

q

R2

 

 

 

 

2 h

ln

R

 

 

 

0

 

1

 

 

 

C

2 h

 

0

 

 

 

 

 

 

R

 

ln

 

2

 

R

 

 

 

 

 

1

• Формула (13) выражает

цилиндрического конденсатора.

(18)

электроемкость

Применим к электроемкости цилиндрического конденсатора известное из математики соотношение:

если

x 1, то

 

 

 

.

 

• Тогда,

 

 

ln(1

x) x

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в соответствии со

*

, если

 

 

знаменатель формулы (18) можно представить

 

R2

 

 

R2 R1

 

 

 

d

 

 

d

ln

ln 1

 

 

ln 1

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

R1

 

 

 

R1

 

R1

R

*

, то

1

в виде:

(19)

• Подставляя (19) в (18), получаем:

 

 

 

 

 

C

2 0 hR1

 

0 S

(20)

d

d

 

 

 

где S 2 R1 площадь боковой поверхности цилиндра.

•Как это следует из всех предыдущих рассуждений, следует подчеркнуть, что электроемкость конденсатора зависит исключительно от трех факторов: 1) его размеров; 2) формы; и 3) диэлектрической проницаемости среды, заполняющей пространство между обкладками конденсатора.

•Кроме того, необходимо иметь в виду и то, что каждый конденсатор кроме электроемкости, характеризуется предельным напряжением, которое можно подать на его обкладки.

7. Соединения конденсаторов

а) параллельное соединение

q1 C1

q

2

 

 

C2

U

 

 

 

 

Рис. 9

(q1 q2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CЭ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

 

q q

 

q

 

q

C

C

1

2

1

2

 

 

 

 

 

 

Э

 

 

 

 

U

 

U

 

U

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Обобщая (17), получим:

N

CЭ Ci

i 1

(21)

(22)

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]