Содержание
Одним из основных понятий электрики является электрическое поле. Благодаря ему, все электрические заряды способны взаимодействовать между собой. Оно образовано суммой электрических полей, существующих в каждом заряде. Все тела, помещенные в эту среду, разделяются, как проводники и диэлектрики в электрическом поле, выполняющие собственные функции, в зависимости от их физических свойств.
Проводники в электрическом поле
Проводники свободно пропускают через себя электрозаряды, поскольку содержат в себе заряженные свободные носители. Классические проводники представлены различными видами металлов и электролитами.
Когда проводник попадает в электрическое поле, в нем возникает движение свободных зарядов. Оно прекращается при нулевом значении напряженности. Разноименные заряды могут разделяться и тогда наблюдается явление электростатической индукции. В этом случае прекращается перемещение свободных зарядов вдоль поверхности проводника. Когда распределение достигает определенного значения, вектор напряженности в поле становится перпендикулярным проводнику.
Все эти свойства проводников, на которые воздействует поле используются на практике в различных приборах и устройствах.
Диэлектрики
Тела, которые состоят из веществ, не проводящих электроразряды, получили название диэлектриков. Это связано с тем, что в них отсутствуют свободные заряды. В электротехнике такие тела играют роль изоляторов.
При помещении диэлектрика в электрическое поле, в нем не будет происходить перераспределения зарядов. Сам диэлектрик будет нейтральным на обоих концах. Тем не менее, незаряженное диэлектрическое тело может притягиваться к заряженному объекту, поскольку поле создает поляризацию диэлектрика. При этом, разноименные заряды, связанные между собой и находящиеся в составе молекул и атомов, смещаются в противоположные стороны.
Диэлектрики могут быть полярными и неполярными. В первом случае распределение положительных и отрицательных зарядов в молекулах не совпадает. Эти нейтральные системы называются электрическими диполями. В неполярных диэлектриках центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Их типичными представителями являются водород, кислород, инертные газы.
Следует отметить, что разделение веществ на проводники и диэлектрики достаточно условно, поскольку свободные заряды в различных количествах содержатся в каждом диэлектрике.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ
Электрическое поле (статическое) − поле неподвижных, электрически заряженных тел, заряды которых не изменяются во времени.
Электрическое поле обнаруживается как силовое взаимодействие заряженных тел. При этом различают положительные и отрицательные заряды. Заряды одного знака отталкиваются друг от друга, разного знака притягиваются.
В основе описания свойств электрического поля лежит закон Кулона, установленный опытным путем.
| Закон Кулона. Между покоящимися точечными зарядами действует сила, пропорциональная произведению зарядов, обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними и направленная по прямой от одного заряда к другому (рис. 1.1): | Рис. 1.1 |
 |
(1.1) |
где 
− сила, действующая на заряд 
; 
− расстояние между зарядами и 
; 
− сила, действующая на заряд ; 
– единичный вектор, направленный от второго заряда к первому; 
– электрическая постоянная.
Точечными зарядами можно считать заряженные тела, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними.
Основная единица измерения силы в международной системе единиц (СИ) − ньютон (Н); заряда − кулон (Кл): 
; длины − метр (м).
Основными величинами, характеризующими электрическое поле, являются напряженность, электрический потенциал и разность потенциалов, или напряжение.
Напряженностьюэлектрического поля называется мера интенсивности его сил, равная отношению силы 
, действующей на пробный положительный точечный заряд 
, вносимый в рассматриваемую точку поля, к значению заряда
 |
(1.2) |
| Рис. 1.2 | Так же как и сила , напряженность электрического поля  − векторная величина, т.е. характеризуется значением и направлением действия. Основная единица измерения напряженности электрического поля в СИ − вольт на метр (В/м). Из формулы (1.1) следует, что напряженность электрического поля точечного заряда  на расстоянии от него равна |
 |
(1.3) |
и направлена от точки расположения заряда к точке, где определяется напряженность, если заряд положительный (рис. 1.2, а), и в противоположную сторону, если заряд отрицательный (рис. 1.2, б). Если зарядов, создающих электрическое поле, несколько, то напряженность в любой точке поля равна сумме напряженностей от каждого из них в отдельности.
Пример 1.1.
Определить значение и направление действия напряженности электрического поля в точке А, расположенной на расстояниях 
и 
от точечных зарядов 
и 
(рис. 1.3).
| Рис. 1.3 | Решение. По формуле (1.3) определяем напряженности электрического поля в точке А от действия точечных зарядов и |
 |
|
 |
|
Направления векторов напряженности  и  совпадают с направлениями действия сил на пробный положительный точечный заряд, если его расположить в точке А. Напряженность результирующего электрического поля в точке А направлена вдоль гипотенузы прямоугольного треугольника, катетами которого являются векторы напряженностей и , и имеет значение  |
|
| Можно говорить о поле вектора и изображать это поле линиями вектора − силовыми линиями. |
|
| Рис. 1.4 | Если напряженность электрического поля во всех точках одинакова, то поле однородное, например, поле равномерно заряженной плоской пластины бесконечных размеров (рис. 1.4), а если различна, то поле неоднородно, например поле двух точечных зарядов (рис. 1.5). |
| Рис. 1.5 |
При перемещении вдоль произвольного участка длиной 
заряда в электрическом поле под действием сил поля совершается работа
 |
(1.4) |
При этом работа по переносу заряда вдоль произвольного замкнутого контура равна нулю. Действительно, так как все свойства поля определяются относительным расположением зарядов, то перенос заряда по замкнутому контуру и возвращению в исходную точку означает первоначальные распределение зарядов и запас энергии. Это означает также, что с учетом (1.4) циркуляция вектора напряженности равна нулю
 |
(1.5) |
Условие (1.5) позволяет характеризовать электрическое поле в каждой точке функцией ее координат − электрическим потенциалом.
Электрический потенциал в данной точке электрического поля
 |
(1.6) |
с учетом (1.4) численно равен работе, которую могут совершить силы электрического поля при переносе единичного положительного заряда из данной точки в точку, потенциал которой принят равным нулю.
Разность потенциалов двух точек 1 и 2, или напряжение между точками 1 и 2, электрического поля
 |
(1.7) |
численно равна работе, которую могут совершить силы электрического поля при переносе единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.
Единица измерения электрического потенциала в СИ − вольт (В).
Влияние электрического поля на проводники и диэлектрики
Проводниками называются вещества, содержащие заряды, которые могут в них свободно перемещаться (свободные заряды).
К таким веществам относятся, например, металлы (см. табл. 2.1), содержащие свободные электроны, и электролиты, содержащие свободные положительно и отрицательно заряженные ионы.
Диэлектриками называются вещества, в которых свободные заряды отсутствуют. Однако внутри своих электрически нейтральных молекул они содержат связанные между собой положительные и отрицательные заряды. К таким веществам относятся, например, эбонит, гетинакс, асбоцемент и т. д. (см. табл. 1.1) .
При наличии проводников и диэлектриков электрическое поле существует в том же вакууме, как если бы проводники и диэлектрики отсутствовали, а их влияние на электрическое поле сводится к появлению дополнительных зарядов, переместившихся в
этих веществах под действием электрического поля и в свою очередь создающих электрическое поле.
В проводниках свободные заряды под действием статического электрического поля свободно перемещаются, располагаясь на поверхности проводников. Статическое электрическое поле в проводниках существовать не может, так как в противном случае
было бы перемещение свободных зарядов.
| В диэлектриках под действием электрического поля происходит упругое смещение − поляризация − внутри молекул связанных зарядов (рис. 1.6, положительных зарядов − по направлению поля, отрицательных − в обратном направлении). | Рис. 1.6 |
Закон Гаусса. Сумма всех свободных и связанных зарядов, заключенных в объеме, ограниченном замкнутой поверхностью S, пропорциональна потоку вектора напряженности электрического поля через эту поверхность:
 |
(1.8) |
где 
− относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (безразмерная величина). Для вакуума 
.
Произведение относительной диэлектрической проницаемости на электрическую постоянную 
называется абсолютной диэлектрической проницаемостью:
 |
Пример 1.2.
Определить напряженность однородного электрического поля равномерно заряженной пластины с плотностью заряда 
и разность потенциалов между точками 1 и 2, расположенными на расстояниях 
и 
от заряженной пластины вдоль силовой линии поля (см. рис. 1.4).
Решение. По теореме Гаусса (1.8) поток вектора напряженности электрического поля через поверхность куба с площадью граней S равен
 |
 |
Разность потенциалов между точками 1 и 2 по формулам (1.6) и (1.7) равна
| | | следующая лекция ==> | |
| Жизнь и творчество писателя | | | ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ, КОНДЕНСАТОРЫ И ЕМКОСТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ |
Дата добавления: 2017-04-14 ; просмотров: 673 | Нарушение авторских прав
Весь мир в твоих руках – все будет так, как ты захочешь
| Адрес: г. Новороссийск | Телефон: Номер телефона | Почта: kalinelena@yandex.ru |
|---|
Весь мир в твоих руках – все будет так, как ты захочешь
Как сказал.
Тестирование
Урок 26. Лекция 26. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Конденсаторы.
По электрическим свойствам все вещества разделяют на два больших класса – вещества, которые проводят электрический ток (проводники) и вещества, которые не проводят электрический ток (диэлектрики, или изоляторы).
Мы знаем, что все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из заряженных частиц. Если внешнее поле вокруг вещества отсутствует, то его частицы распределяются так, что суммарное электрическое поле внутри вещества равно нулю. Если вещество поместить во внешнее электрическое поле, то поле начет действовать на заряженные частицы и они перераспределяться так, что в веществе возникнет собственное электрическое поле. Полное электрическое поле 
складывается из внешнего поля 
и внутреннего поля 
создаваемого заряженными частицами вещества.
Проводник – это тело или материал, в котором электрические заряды начинают перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Поэтому эти заряды называют свободными.
В металлах свободными зарядами являются электроны, в растворах и расплавах солей (кислот и щелочей) – ионы.
Диэлектрик – это тело или материал, в котором под действием сколь угодно больших сил заряды смещаются лишь на малое, не превышающее размеров атома расстояние относительно своего положения равновесия. Такие заряды называются связанными.
Рассмотрим подробнее эти классы веществ.
Проводники в электрическом поле.
Проводниками называют вещества, проводящие электрический ток.
Типичными проводниками являются металлы.
Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов ( в металлах это электроны), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника.
В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.
Явление перераспределения зарядов внутри проводника под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией.
Заряды, появляющиеся на поверхности проводника, называются индукционными зарядами.
Индукционные заряды создают свое собственное поле , которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника:
(внутри проводника).
Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.
Диэлектрики в электрическом поле.
Диэлектриками (изоляторами) называют вещества, не проводящие электрического тока.
В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.
При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.
Связанные заряды создают электрическое поле , которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля . Этот процесс называется поляризацией диэлектрика.
Электрической поляризацией называют особое состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объёма этого вещества не равен нулю.
В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика 
оказывается по модулю меньше внешнего поля .
Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности полного поля в однородном диэлектрике , называется диэлектрической проницаемостью вещества.
Диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше, чем в диэлектрике. Это величина безразмерная (нет единиц измерения).
При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле связанных зарядов и полное поле могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:
Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд q, то напряженность поля , создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:
Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная, электронная и ионная поляризации. Ориентационная и электронная механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков, ионная – при поляризации твердых диэлектриков.
Если двум изолированным друг от друга проводникам сообщить заряды q1 и q2, то между ними возникает некоторая разность потенциалов Δφ, зависящая от величин зарядов и геометрии проводников.
Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле часто называют напряжением и обозначают буквой U.
Наибольший практический интерес представляет случай, когда заряды проводников одинаковы по модулю и противоположны по знаку: q1 = – q2 = q. В этом случае можно ввести понятие электрической емкости.
Электроемкостью (электрической емкостью) проводников называется физическая величина, характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрический заряд.
Электроемкость находится как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:
В системе СИ единица электроемкости называется фарад [Ф]: 
Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика , разделяющего проводники.
Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.
Простейший конденсатор – плоский конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика.
Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния.
В целом ряде задач можно приближенно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками.
Электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними .
Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз:
Примерами конденсаторов с другой конфигурацией обкладок могут служить сферический и цилиндрический конденсаторы.
Сферический конденсатор – это система из двух концентрических проводящих сфер радиусов R1 и R2.
Цилиндрический конденсатор – система из двух соосных проводящих цилиндров радиусов R1 и R2 и длины L.
Емкости этих конденсаторов, заполненных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, выражаются формулами:
– сферический конденсатор
– цилиндрический конденсатор
Для получения заданного значения емкости конденсаторы соединяются между собой, образуя батареи конденсаторов.
1) При параллельном соединении конденсаторов соединяются их одноименно заряженные обкладки.
Напряжения на конденсаторах одинаковы U1 = U2 = U, заряды равны q 1 = С 1 U и q 2 = С 2 U .
Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор электроемкости C , заряженный зарядом q = q 1 + q 2 при напряжении между обкладками равном U . Отсюда следует 
или С = С1 + С2
Таким образом, при параллельном соединении электроемкости складываются.
2) При последовательном соединении конденсаторов соединяют разноименно заряженные обкладки
Заряды обоих конденсаторов одинаковы q1 = q2 = q, напряжения на них равны 
и 
Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор, заряженный зарядом q при напряжении между обкладками U = U1 + U2.
Следовательно, 
или 
При последовательном соединении конденсаторов складываются обратные величины емкостей.
Формулы для параллельного и последовательного соединения остаются справедливыми при любом числе конденсаторов, соединенных в батарею.
Т.е. в случае n конденсаторов одинаковой емкости С емкость батареи
при параллельном соединении Собщ = nС
при последовательном соединении Собщ = С/n
Если обкладки заряженного конденсатора замкнуть металлическим проводником, то по цепи пойдет электрический ток, лампочка загорится и будет гореть до тех пор, пока конденсатор не разрядится. Значит, 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 Δq > 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
Энергия We конденсатора емкости C, заряженного зарядом q, может быть найдена путем интегрирования этого выражения в пределах от 0 до q:
Формулу, выражающую энергию заряженного конденсатора, можно переписать в другой эквивалентной форме, если воспользоваться соотношением q = CU .
Электрическую энергию We следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе.
По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля.