Еквіпотенціальні поверхні

З курсу механіки відомо, що якщо напрямок переміщення перпендикулярний до напрямку сили, то робота цієї сили дорівнює нулю. А якщо робота під час переміщення заряду з однієї точки в іншу дорівнює нулю, тоді дорівнює нулю й різниця потенціалів між цими точками.

Тому якщо заряд переміщується в напрямку, перпендикулярному до напрямку силових ліній, то робота поля під час переміщення заряду дорівнює нулю. А отже, дорівнює нулю й різниця потенціалів між початковою й кінцевою точками траєкторії заряду. Можна сказати, що

Ø  в будь-якому електростатичному полі нулю дорівнює різниця потенціалів між точками, що лежать на поверхні, перпендикулярної в кожній точці до ліній напруженості поля.

Справді, під час переміщення пробного заряду з однієї точки в іншу уздовж цій поверхні поле не виконує роботи. Отже, всі точки такої поверхні мають однаковий потенціал.

Поверхні рівного потенціалу називають еквіпотенціальними поверхнями.

Оскільки всі точки провідника мають однаковий потенціал, поверхня провідника є еквіпотенціальною. Звідси випливає, що

Ø  силові лінії поля поблизу поверхні провідника перпендикулярні до його поверхні.

Електроемність

Виконані досліди показують, що в кожного провідника потенціал змінюється пропорційно заряду, а відношення заряду до потенціалу q/φ для даного провідника — величина постійна, яка залежить від його розмірів і форм і називається електроємністю провідника:

Аналогічно, у кожній з посудин висота змінюється пропорційно об’єму налитої рідини, але відношення об’єму рідини до висоти також є величиною постійною, що характеризує властивість посудини — її ємність і дорівнює площі її поперечного перерізу:

Ø  Отже, відношення заряду q відокремленого провідника до його потенціалу φ, тобто величину   називають електроємністю цього провідника.

Одиниці електроємності

Одиницею електроємності в СІ є [С] = 1 Кл/1 В = 1 Ф. На честь англійського фізика М. Фарадея ця одиниця названа фарадом.

Ø  1 фарад — ємність провідника, у якого зміна заряду на 1 Кл спричиняє зміну потенціалу на 1 В.

Для практичних цілей використовують малі частинки фарада: 1 мкФ = 10-6 Ф; 1 пФ = 10-12 Ф.

Конденсатори

Величина електроємності залежить від форми й розмірів провідників і від властивостей діелектрика, що розділяє провідники. Існують такі конфігурації провідників, за яких електричне поле виявляється зосередженим (локалізованим) лише в деякій області простору. Такі системи називаються конденсаторами, а провідники, що входять до складу конденсатора, називаються обкладками.

Конденсатор — це два провідники, що мають рівні й протилежні за знаком заряди, причому конфігурація провідників така, що створюване ними поле зосереджено в основному між провідниками.

Чим більша ємність, тим більший заряд можна помістити на обкладки конденсатора за тієї ж різниці потенціалів між ними. Виходить, електроємність характеризує здатність двох провідників накопичувати електричний заряд.

Найпростіший конденсатор — система із двох плоских провідних пластин, розташованих паралельно один до одного на малій порівняно з розмірами пластин відстані й розділених шаром діелектрика. Такий конденсатор називається плоским.

Електроємність плоского конденсатора визначають виразом:

де S — площа кожної пластини, a d — відстань між пластинами. Величину ε0 називають електричною сталою: