Проводники в электрическое поле

1. Проводники в электрическом поле.

2. Емкость проводника. Конденсаторы и их соединения.

3. Энергия электрического поля.

1. Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле равно нулю.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника.

Типичные проводники – металлы.

В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают некомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис.). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле ^`, которое компенсирует внешнее поле ₀ во всем объеме проводника:

= ₀+ ^`=0 .

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

2. Если уединенному проводнику сообщить дополнительно заряд, то он равномерно распределится по поверхности проводника и повысит его потенциал.

Величина, характеризующая проводник по его способности накапливать на себе электрический заряд называется электрической емкостью, или электроемкостью, проводника:

Электрическая емкость уединенного проводника зависит от его формы и размеров, а также от величины относительной диэлектрической проницаемости среды, в которой он находится.

Электроемкость не зависит от материала проводника, его агрегатного состояния, от формы и размеров возможных полостей внутри проводника. Электроемкость не зависит также ни от заряда проводника, ни от его потенциала.

Единица измерения электрической емкости 1 фарада (Ф). Это емкость такого проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда в 1 Кл: 1 Ф = 1 Кл / 1 В.

Электроемкость уединенного проводника очень мала, но на практике бывает необходимо накопить большой заряд при малом напряжении, для этой цели используют систему проводников – конденсатор.Электроемкость конденсатора определяется по формуле

,

где φ₁ – φ₂ – разность потенциалов между проводниками, q – заряд на них.

Конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), которые разделены диэлектриком.

Емкость плоского конденсатора:

.

Емкость цилиндрического конденсатора:

Конденсаторы характеризуются пробивным напряжением — разностью потенциалов между обкладками конденсатора, при которой происходит пробой — электрический разряд через слой диэлектрика в конденсаторе. Пробивное напряжение также зависит от формы обкладок, свойств диэлектрика и его толщины.
Для увеличения емкости и изменения ее возможных значений конденсаторы соединяют в батареи, при этом применяется их параллельное и последовательноесоединения.
У последовательно соединенных конденсаторов (рис. а) заряды всех обкладок равны по модулю. Если емкости отдельных конденсаторов С₁, С₂, ..., С_n, то полная емкость батареи

.

У параллельно соединенных конденсаторов (рис. б). разность потенциалов на обкладках конденсаторов одинакова и равна φ_A – φ_B. Если емкости отдельных конденсаторов С₁, С₂, ..., С_n, то полная емкость батареи

 

3.Опыт показывает, что заряженный конденсатор содержит запас энергии.

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос достаточно малых порций заряда dq > 0 с одной обкладки на другую При этом одна обкладка постепенно заряжается положительным зарядом, а другая – отрицательным. Поскольку каждая порция переносится в условиях, когда на обкладках уже имеется некоторый заряд q, а между ними существует некоторая разность потенциалов при переносе каждой порции Δq внешние силы должны совершить работу =W

Формулу, выражающую энергию заряженного конденсатора, можно записать в различных эквивалентных формах:

Электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля.

Это легко проиллюстрировать на примере заряженного плоского конденсатора емкостью

.

Напряженность однородного поля в плоском конденсаторе равна E = U/d. Поэтому

где V = Sd – объем пространства между обкладками, занятый электрическим полем.