Проводники и диэлектрики в эл. ст. поле
| Проводники | Это вещества, в которых имеются в значительных количествах свободные носители электрических зарядов ( в металлах – электроны, в электролитах – ионы) |
Распределение зарядов проводниках
| Заряды располагаются на поверхности проводника. Поверхностная плотность зарядов зависит от формы проводника и различия в разных его точках. На рисунках показан заряженный полый металлический стакан. |
| Электростатическая индукция | Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле. |
Механизм электростатической индукции
| Если во внешнее электростатическое поле внести нейтральный проводник, то свободные заряды (электроны, ионы) перемещаются: положительные - по полю, отрицательные - против поля.На одном конце проводника наблюдается избыток положительного заряда, на другом - избыток отрицательного. Эти заряды называются индуцированными. Индуцированные заряды располагаются на внешней поверхности проводника. |
| Электростатическая индукция | Экранирование тел (например, измерительных приборов) от влияния внешних электростатических полей, |
Объяснение электростатической индукции
| В состоянии равновесия заряды внутри проводника отсутствуют, поэтому внутри полости поле отсутствует. Если проводник с полостью заземлить, то потенциал во всех точках - нулевой, и полость изолирована от влияния внешних электростатических полей. Вместо сплошного проводника для защиты можно использовать металлическую сетку |
| Диэлектрики | Тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды (например, стекло, пластмассы). |
| Диэлектрики с неполярными молекулами | Вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают, следовательно, дипольный момент р молекулы равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными
Под действием внешнего электрического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля) и молекула приобретает дипольный момент. 
|
| Диэлектрики с полярными молекулами | Вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают.
Таким образом, эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. молекулы таких диэлектриков называются nолярными.
При отсутствии внешнего поля, дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле, то силы этого поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий дипольный момент. 
|
| Поляризация диэлектрика | Процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей. |
Связанные заряды
| Процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей. Диэлектрик, помещенный во внешнее однородное электрическое поле Е0(создается двумя разноименно заряженными плоскостями), поляризуется: происходит смещение зарядов - положительных - по полю, отрицательных - против поля. На правой грани диэлектрика наблюдается избыток положительного заряда с поверхностной плотностью + σ'' на левой - отрицательного заряда -σ'. Эти нескомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называются связаннымu. |
| Поле в диэлектрике | σ' < σ (σ - поверхностная плотность свободных зарядов плоскостей). Появление связанных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля (поля, создаваемого связанными зарядами), которое направлено против внешнего поля (поля, создаваемого свободными зарядами) и ослабляет его. Следовательно, поляризация диэлектрика вызывает уменьшенuе в нем поля по сравнению с первоначальным внешним полем. |
5. Электроёмкость. Конденсаторы.
| . Электроемкость | Характеристика проводника, определяющая его способность накапливать электрический заряд при данном потенциале. |
| Уединенный проводник | Проводник, удаленный от других проводников, тел и зарядов. |
| Электроемкость уединенного проводника С=q/φ | Определяется зарядом, сообщение которого проводнику изменяет его потенциал на единицу. Электроемкость проводника определяется его размерами и формой, но не зависит от материала, агрегатного состояния, формы и размеров полостей внутри проводника. Это связано с тем, что избыточные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Электроемкость не зависит также от заряда и потенциала проводника. |
| Единица электроемкости 1 Ф = 1 Кл/В | 1 Ф (фарад) - емкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл. |
Электроёмкость шара
| Потенциал шара φ = кq/ ξr; с=q/φ
ξ0 – электрическая постоянная: q – заряд шара; ξ0 - диэлектрическая проницаемость среды; R – радиус шара.
|
Зависимость электроемкости от размеров
 
| Двум шарам разных диаметров сообщают одинаковые заряды. Измерения показывают, что потенциалы шаров различны: для шара большего размера потенциал меньше, т. е. шар больших размеров обладает большей электроемкостью. Каков должен быть радиус шара, для которого с= 1 Ф? R = С/4π ξ 0(в вакууме); С = 1 Ф; R= 9· 106 км (в 1400 раз 1400 разбольше радиуса Земли). Емкость Земли приблизительно равна 0,7 мФ. |
| Конденсатор | Система из двух проводников (обкладок) с одинаковыми по модулю, но противоположными по знаку зарядами, форма и расположение которых таковы, что поле сосредоточено в узком зазоре между обкладками. Используются в телевидении, электро- и радиотехнике. |
| Электроемкость конденсатора С= q/U | Физическая величина, равная отношению заряда q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов, т. е. напряжению U между его обкладками. |
Плоский конденсатор
| Две параллельные металлические пластины площадью 8 каждая, расположенные на расстоянии d друг от друга и имеющие заряды +q и -q. |
| Электроемкость плоского конденсатора C= ξ 0 ξ S/d | С= q/U, q= σ∙ S, U= σ∙ d/ ξ 0∙ξ, C= ξ 0 ξ S/d S - площадь пластин конденсатора; d - расстояние между ними; ξo - электрическая постоянная; ξ -диэлектрическая проницаемость (при наличии диэлектрика между обкладками); σ - поверхностная плотность заряда; q - заряд конденсатора: U- напряжение. |
| Соединение конденсаторов в батареи | Для подбора нужной электроёмкости при заданном напряжении конденсаторы соединяют в батареи. Существует два способа соединения: последовательное и параллельное. |
Параллельное
| Рассмотрим на примере двух конденсаторов, электроемкости которых С1 и С2. При параллельномсоединении конденсаторов положительно заряженные обкладки соединяются в один узел, отрицательные - в другой. При таком соединении напряжение на конденсаторах одно и то же, заряды - разные. Общий заряд батареи : q==q1 +q2 =С1U+С2U==U(С1 +С2), где U - напряжение на конденсаторах. Электроемкость батареи равна С==q/U==С1 +С2· Если параллельно соединяются п одинаковых конденсаторов емкости С1 каждый, то электроемкость батареи равна С==пС1 ; q1/q2== С1 / С2 . При параллельном соединении конденсаторов заряды, накапливаемые конденсаторами, пропорциональны их емкостям. |
Последовательное
| При последовательномсоединении конденсаторов соединяются разноименно заряженные обкладки . При этом одинаковыми будут заряды конденсаторов, а напряжения - разные. Напряжение на зажимах батареи равно :U==U1 +U2 =q/C1 +q/C2 ==q(1/C1 +1/С2). Электроемкость батареи:1/ С=1/С1 + 1/ C2 Если последовательно соединяются п одинаковых конденсаторов емкости С1 каждый, то электроемкость батареи равна С==C1/п. Из соотношений q1 == q2; q1 == С1U1; q2 == С2U2 следует U1/U2 =C2/C1 При последовательном соединении конденсаторов напряжения, действующие на них, обратно пропорциональны их электроемкостям |
| Энергия уединенного заряженного проводника W=Сφ2/2 W = qφ/2 W= q2/2C | Где q - заряд конденсатора; С - емкость конденсатора; φ – потенциал проводника. |
| Энергия заряженного конденсатора W=CU2/ 2 W= qU2/ 2 W= q2/ 2C | Где q - заряд конденсатора; С - емкость конденсатора; U – напяжение; W- энергия (Дж). |
Контрольные вопросы
1. Что такое электрический заряд?
2. Что такое элементарный электрический заряд?
3. Какие частицы являются носителями электрических зарядов?
4. В чём состоит электризация тел?
5. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда?
6. Когда электрический заряд можно считать точечным?
7. Сформулируйте закон Кулона. Приведите формулу.
8. Чему равна электрическая постоянная, т.е. коэффициент (к) в законе Кулона?
9. Что такое диэлектрическая проницаемость среды?
10. Что называют электростатическим полем?
11. Что называют напряжённостью электростатического поля?
12. Чему равна напряжённость электростатического поля? Приведите формулу.
13. Чему равна напряжённость точечного заряда? Приведите формулу.
14. Как направлена напряжённость поля заряда (q), если q0> 0, если q0< 0? Приведите рисунок.
15. Что называют силовыми линиями эл. поля? Дать определение, привести рисунок.
16. Что называют однородным полем?
17. Что такое поверхностная плотность заряда? Приведите формулу.
18. Приведите примеры изображения эл. полей с помощью линий напряжённости.
19. Сформулируйте принцип суперпозиции полей. Приведите рисунок.
20. В чём состоит работа при перемещении заряда Q0 из точки 1 в точку 2 в поле заряда Q. Приведите рисунок.
21. Чему равна работа перемещения заряда в эл. поле по замкнутому кругу?
22. Что называют потенциалом эл. поля?
23. Чему равен потенциал точечного заряда? Привести формулу.
24. Что называют разностью потенциалов между двумя точками? Привести формулу.
25. В чём состоит связь между напряжённостью и напряжением? Привести формулу.
26. Чем отличается диэлектрик от проводника?
27. Что такое электростатическая индукция и в чём её механизм?
28. Какие диэлектрики называют полярными а какие неполярными?
29. Что такое поляризация диэлектрика?
30. Как диэлектрик влияет на электрическое поле?
31. Что называют электроёмкостью проводника? В каких единицах она выражается? Привести формулу.
32. Как рассчитать электроёмкость уединённого проводника? Привести формулу.
33. Как можно рассчитать электроёмкость шара? Привести формулу.
34. От чего зависит электроёмкость?
35. Что такое конденсаторы? Какую роль они выполняют в технике?
36. Чему равна электроёмкость конденсатора? Привести формулу.
37. Что такое плоский конденсатор? Чему равна его электроёмкость? Привести формулу.
38. Привести схему параллельного соединения конденсаторов в батарею. Привести формулы для определения общих: заряда, напряжения и электроёмкости при параллельном соединении.
39. Привести схему последовательного соединения конденсаторов в батарею. Привести формулы для определения общих: заряда, напряжения и электроёмкости при последовательном соединении.
40. Чему равна энергия заряженного конденсатора? Привести формулы.