Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. В 2 частях. Ч.2. Молекулярная физика. Термодинамика. Электродинамика. Учебное пособие
.pdf
61
принципу суперпозиции полей это поле накладывается на внешнее
поле и компенсирует его. Из этого можем сделать важный вывод:
напряженность электростатического поля внутри проводника
равна нулю.
Итак, внешнее электростатическое поле всегда компенсируется
внутри проводника собственным полем заряда на концах проводника.
На этом явлении основана электростатическая защита. Чтобы
защитить чувствительные к полю приборы, их заключают в
металлические ящики.
Диэлектрики в электростатическом поле ведут себя иначе, чем
проводники. Диэлектрики, наоборот, не проводят ток, но внутри них
может существовать электрическое поле.
Диэлектрик (изолятор) (от греч. dia – «через» и англ. electric –
«электрический») – вещество, в которых практически нет
свободных зарядов, относительно плохо проводящее
электрический ток.
К ним относятся эбонит, стекло, шёлк, резина, фарфор и слюда,
бумага и др.
Выделяют два вида диэлектриков: неполярные и полярные.
Неполярные диэлектрики – это диэлектрики, состоящие из
атомов или молекул, у которых центры распределения
положительных и отрицательных зарядов совпадают.
Неполярные диэлектрики состоят из неполярных молекул
например, и др. Молекулы неполярного диэлектрика,
помещённого в электрическое поле, деформируются, в результате
чего возникают диполи, ориентированные вдоль линий
напряжённости внешнего электрического поля.
Полярными диэлектриками называются диэлектрики,
состоящие из атомов или молекул, у которых центры
распределения положительных и отрицательных зарядов не
62
E
E
0
0
E
E
совпадают. Полярные диэлектрики состоят из полярных молекул
например, и др. Молекулы полярного диэлектрика,
помещённого в электрическое поле, ориентируются вдоль линий
напряжённости внешнего электрического поля.
В обоих видах диэлектриках, помещённых во внешнее
электростатическое поле, происходит поляризация – смещение
положительных и отрицательных связанных зарядов
диэлектрика в противоположные стороны (рис. 33). Диэлектрик в
этом состоянии называется поляризованным.
Рис. 33
Поляризуемость диэлектрика характеризуется отношением
где
– напряжённость электрического поля в вакууме;
напряжённость электрического поля в диэлектрике;
,
–
–
диэлектрическая проницаемость.
Эта величина зависит от вещества. Например, для воды
81, для
=
парафина = 2,1, для слюды = 6, для стекла = 7.
Диэлектрическая проницаемость характеризует свойство
диэлектрической среды, показывает, во сколько раз модуль
63
напряжённости электростатического поля внутри однородного
диэлектрика меньше модуля напряжённости поля в вакууме.
Вещества, в которых практически нет свободных зарядов, но
при определённых условиях (нагревании, ударе, облучении и т.п.)
они появляются, называют полупроводниками. К ним относятся
селен, кремний, германий и др.
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
свободный заряд электростатическая индукция
связанный заряд полярный
проводник неполярный
диэлектрик диполь
полупроводник поляризация
электрический ток диэлектрическая проницаемость
??? Ответьте на вопросы.
1. Какие заряды называются свободными? Связанными?
2. На какие типы делятся все вещества?
3. Какие вещества называются проводниками? Диэлектриками?
Полупроводниками? Приведите примеры.
4. Что называется электростатической индукцией?
5. Что называется поляризацией? Какие диэлектрики называются
поляризованными?
6. Чему равна напряжённость суммарного поля внутри
диэлектрика?
7. Что характеризует диэлектрическая проницаемость?
§ 15. Конденсатор
Проводники способны накапливать электрический заряд, а значит,
и электроэнергию, которая может быть использована в дальнейшем.
Это свойство проводников применяют в конденсаторах.
64
Обкладки
(проводник)
Диэлектрик
Конденсатор – это устройство, позволяющее накапливать
электрические заряды и, соответственно, энергию электрического
поля.
Простейший конденсатор представляет собой два проводника
(обкладки), разделённые слоем диэлектрика, толщина которого мала
по сравнению с линейными размерами проводника (рис. 34). Такой
конденсатор называется плоским (по форме обкладок).
Рис. 34
На рисунке 35 изображены условные обозначения конденсатора
постоянной ёмкости (рис. 35, а) и переменной ёмкости (рис. 35, б).
Рис. 35
При зарядке конденсатора его обкладкам сообщают равные по
модулю разноимённые заряды. При этом электрическое поле
сосредоточено в основном между обкладками. Под зарядом
конденсатора понимают модуль заряда одной из обкладок.
Способность конденсатора накапливать электрические заряды
характеризует электроёмкость.
Электрическая ёмкость (C) – это физическая скалярная
величина, количественно характеризующая способность проводника
65
U
q
C
В
Кл
d
SC
0
n
CCCC
1
...
111
21
накапливать электрический заряд и равная отношению заряда
проводника к его потенциалу:
.
В СИ единица электроёмкости – 1 фарад (Ф), 1 Ф = 1
.
Так как фарад очень большая единица на практике, то
электроёмкость часто выражается в микрофарадах (мкФ) и
пикофарадах (пФ).
У конденсаторов различной формы различна и формула для
расчёта ёмкости. Электроёмкость плоского конденсатора зависит от
геометрических размеров и форм проводников, взаимного
расположения проводников, диэлектрической проницаемости.
,
где S – площадь обкладки; d – расстояние между обкладками; ε –
диэлектрическая проницаемость,
Конденсаторы можно соединять параллельно или
последовательно.
При параллельном соединении конденсаторов соединяются их
одноимённо заряженные обкладки (рис. 36, а).
Общая ёмкость батареи из n конденсаторов C = C1 + C2 + …+ Cn.
Параллельное соединение конденсаторов применяется для
получения большей ёмкости.
При последовательном соединении конденсаторов соединяются
их разноимённые обкладки (рис. 36, б).
Общая ёмкость батареи из n конденсаторов
Общая ёмкость батареи всегда меньше, чем наименьшая ёмкость
.
конденсатора, входящего в батарею.
66
Рис. 36
Конденсатор, как и любое заряженное тело, обладает
определенной энергией. Энергию конденсатора можно вычислить по
формуле:
, так как ,
то
,
где C – электроёмкость конденсатора; U – напряжение на обкладках
конденсатора.
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
конденсатор фарад
обкладки плоский конденсатор
электрическая ёмкость
??? Ответьте на вопросы.
1. Что такое конденсатор?
2. Что называется электроёмкостью?
3. В каких единицах измеряется электроёмкость?
4. От чего зависит электроёмкость плоского конденсатора?
Упражнение 15. Решите задачи.
1. При напряжении 220 В, заряд на конденсаторе составляет
30 мкКл. Какова электроёмкость этого конденсатора?
67
2. При сообщении конденсатору заряда 4·10-6 Кл энергия
конденсатора оказалась равной 0,01 Дж. Определите напряжение на
пластинах конденсатора.
3. Какой максимальной ёмкости можно сделать конденсатор, если
диэлектрик – стеклянная пластинка площадью 9х12 см2 и толщиной
1,5 мм?
4. Конденсатору емкостью 10 мкФ сообщили заряд 4 мкКл. Какова
энергия заряженного конденсатора?
ГЛАВА 2. ПОСТОЯННЫЙ ТОК
§ 16. Электрический ток. Электрическая цепь
Если две точки электрического поля, имеющие разные
потенциалы, соединить проводником, то свободные заряды под
действием электрических сил начнут направленное движение.
Направленное движение заряженных частиц называется
электрическим током.
В металлах это движение свободных электронов, в электролитах –
положительных и отрицательных ионов. За направление
электрического тока условно принято направление движения
положительных зарядов под действием электрического поля (рис. 37).
Рис. 37
68
Для осуществления длительного электрического тока в
проводнике необходимо:
1) наличие свободных заряженных частиц;
2) источник тока, создающий в проводнике электрическое поле.
Устройство, создающее и поддерживающее постоянную разность
потенциалов, называется генератором (или источником)
электрического тока.
А для того, чтобы иметь достаточное количество свободных
зарядов, проводники соединяются в электрическую цепь.
Электрическая цепь – совокупность устройств и элементов,
предназначенных для протекания электрического тока.
Элементы электрической цепи:
1) источник тока;
2) потребители (лампа, резистор, реостат);
3) измерительные приборы (вольтметр, амперметр);
4) соединительные провода;
5) ключ для размыкания и переключения цепи (рис. 38).
Рис. 38
Чертежи, на которых изображены способы соединения
электрических приборов, называются схемами (рис. 39).
69
Рис. 39
Приборы на схемах обозначают условными знаками (табл. 4).
Таблица 4
Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой, то есть
состоять только из проводников электричества и источников тока.
Если в каком-нибудь месте проводник оборвётся, то ток в цепи
прекратится.
Каждая электрическая цепь имеет два основных участка: внешний
участок цепи – всё, что присоединяется к клеммам (полюсам)
генератора; внутренний участок цепи – сам источник.
70
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
электрический ток резистор соединительные провода
источник тока реостат участок цепи
электрическая цепь амперметр замкнутая цепь
потребители вольтметр
??? Ответьте на вопросы.
1. Что такое электрический ток? Какие условия необходимы для
существования тока в проводнике?
2. Что такое электрическая цепь?
3. Какие основные элементы входят в электрическую цепь?
4. Из каких участков состоит электрическая цепь?
5. Что называется источником тока и для чего он служит?
6. Что называется схемой электрической цепи?
Упражнение 16. Решите задачи.
1. На рисунке изображена электрическая цепь. Назовите элементы,
которые включены в эту электрическую цепь и их назначение.
2. Начертите схему электрической цепи, состоящей из
аккумулятора, выключателя и электрической лампы. Назовите, какие
элементы входят во внешний участок цепи, а какие – во внутренний.
Укажите направление тока в цепи.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]