4. Проводник в электрическом поле. Электрическая емкость проводника и системы проводников.
Электрическое поле в веществе.
В обычном состоянии вещество состоит из заряженных частиц: протонов и электронов.
Если вещество попадает в электрическое поле, то на это вещество действует электрическое поле, а именно оно оказывает действие на эти заряженные частицы.
Под действием поля частицы изменяют своё положение.
Носители электрического заряда в веществе принято делить на свободные носители и на связанные.
В первом случае носители заряда могут свободно перемещаться по всему объёму вещества. Во втором случае они могут перемещаться только в пределах атомов, молекул или ионов.
Если в веществе имеются в большом количестве свободные носители, то вещество называется проводником.
Если свободных носителей нет, то вещество называется диэлектриком (изолятором).
И то, и другое – идеализированные понятия, т. е. в природе не существуют.
В проводнике свободные заряды могут перемещаться (под действием поля) в любую область проводника в любом направлении.
Если в электрическое поле помещают диэлектрик, то носители перемещаются только в пределах атомов, молекул или ионов.
Проводник в электрическом поле.
Создаётся поле внутри проводника
Время,
за которое перераспределяется заряд
металл
Заряд в процессе распределения находится только на поверхности.
Внутри проводника нет нескомпенсированных зарядов.
Внутри проводника все точки являются эквипотенциальными.
П
отенциал
проводника – потенциал точек.
Поверхность
проводника – эквипотенциальная
поверхность
силовые
линии должны быть перпендикулярны
поверхности.
Н
апряжённость
каждой точки однозначно связана с
поверхностной плотностью заряда
проводника.
Свойства замкнутой проводящей оболочки.
Вещество внутри проводника не влияет на поле (можно организовать полость).
Получаем замкнутую проводящую оболочку, внутри которой нет поля.
Экранирует всё, что находится внутри, от внешнего электрического поля.
II: Е=0
От деформации картина меняется.
Заземлим оболочку. Заземлённая проводящая оболочка экранирует внешне пространство от поля заряда, находящегося внутри оболочки.
Электрическая ёмкость. Конденсаторы.
– для уединённого
проводника
,
Если изменить заряд в несколько раз, то во столько же раз изменится напряжённость, потенциал проводника.
,
,
C - электрическая ёмкость
проводника.
Знание электрической ёмкости позволяет определить потенциал проводника по его заряду.
От чего зависит электрическая ёмкость проводника?
;
Деформируем проводник:
Другое распределение заряда.
,
Ёмкость уединённого проводника зависит от его геометрии.
Пример:
Ш
ар.
,
,
R – радиус шара.
.
Заряды второго проводника вносят вклад в потенциал первого проводника.
.
Вклад отрицательных зарядов больше
(расстояние меньше).
Чем ближе находится второй проводник, тем больше это изменение. Убираем «+» заряды второго проводника.
Конденсатор – система из двух проводников, заряженных равными по модулю, но разными по знаку зарядами. Достигаем максимально возможной ёмкости системы.
И
нтегрирование
происходит внутри области.
,
U – напряжение на
конденсаторе.
– электрическая
ёмкость конденсатора.
– электрический
заряд конденсатора.
Считаем, что поле однородное.
Рассчитаем
С конденсатора.
.
Применим т. Гаусса.
;
,
d – расстояние между пластинами.
– электрическая
ёмкость плоского конденсатора без
диэлектрика.
Соединения конденсаторов.
Различают два соединения: параллельное и последовательное.
1. Параллельное.
С
1,
С2, С3, …
Один потенциал.
U1=U2=…=U
q=q1+q2+…
.
Если d одинаковое, то
фактически увеличиваем S.
2. Последовательное.
П
роводник
внутри конденсатора.
q1=q2=…;
Подряд соединяем несколько одинаковых конденсаторов. По сути дела увеличиваем d.