ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ Конденсаторы Энергия электростатического поля

ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ. Конденсаторы. Энергия электростатического поля.

1. Проводники – это вещества с большой концентрацией свободных зарядов. В молекулах проводников электроны слабо связаны с ядрами атомов и могут «отрываться» от них. Атомы алюминия (а) и меди (б)

Проводники во внешнем электрическом поле При внесении незаряженного проводника во внешнее электростатическое поле, заряды внутри него перераспределяются таким образом, что напряженность поля внутри него Е = 0. При этом часть поверхности проводника заряжается положительно, а часть – отрицательно. Эти заряды называются индуцированными (наведёнными). Это явление называется электростатической индукцией.

Свойства проводника в электрическом поле 1. Напряженность Е = 0 всюду внутри проводника; а у его поверхности напряженность направлена перпендикулярно поверхности и определяется поверхностной плотностью заряда. 2. Весь объем проводника эквипотенциален. 3. Поверхность проводника эквипотенциальна. 4. Индуцированные заряды располагаются на внешней поверхности проводника, а внутри он остается электрически нейтральным.

Экранирование

2. Электроемкость уединенного проводника Разные проводники, будучи одинаково заряженными, имеют одинаковые потенциалы. Чем больший заряд q передан проводнику, тем больше его потенциал ϕ (q ~ ϕ). C – электроемкость, [Ф] Электроемкость проводника – это физическая величина, равная отношению заряда, имеющегося в каком-либо проводящем теле, к величине потенциала этого тела и характеризующая способность проводника (системы проводников) накапливать электрический заряд.

Электроемкость проводника Зависит от: Не зависит от: Размеров проводника Материала проводника Формы проводника Агрегатного состояния проводника Среды, в которой находится проводник Наличия полостей Заряда на проводнике Потенциала проводника Пример: Электроемкость уединенного шара: Электроемкость Земного шара:

3. Конденсаторы При приближении к заряженному проводнику других тел, на них возникают индуцированные (в других случаях связанные) заряды, которые своим полем понижают потенциал проводника и повышают его электроемкость. Электроемкость двух близко расположенных проводников больше, чем у уединенного проводника. КОНДЕНСАТОР – это устройство для накопления заряда, состоящее из двух близко расположенных проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика. Конденсатор способен накопить гораздо больший заряд, чем уединенный проводник.

Виды конденсаторов Плоские Цилиндрические Сферические Две плоские пластины площадью S на расстоянии d друг от друга Два коаксиальных цилиндра радиусами R 1 и R 2 и длиной L Две концентрические сферы радиусами R 1 и R 2

- Условное обозначение конденсатора Электроемкость конденсатора: q – заряд одной из обкладок; ϕ 1 – ϕ 2 = U – напряжение между обкладками конденсатора

Соединения конденсаторов Параллельное Последовательное Напряжение U на конденсаторах одинаковое: U 1=U 2=…=Un qобщ =q 1+q 2+…+qn Заряд q на конденсаторах одинаковый: q 1=q 2=…=qn Uобщ =U 1+U 2+…+Un общ

Микросхема сирены Микросхема стабилизатора напряжения

Применение конденсаторов: 1. Для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, напр. , фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п. 2. При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, импульсных лазерах. 3. Конденсатор способен длительное время сохранять заряд и его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии. 4. Конденсаторы способны накапливать большой заряд и создавать большую напряжённость на обкладках для создания кратковременных мощных электрических разрядов. 5. Измерительный преобразователь (ИП) малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора. ИП влажности воздуха, древесины (изменение состава диэлектрика приводит к изменению ёмкости). 6. Для реализации логики работы некоторых защит, конденсатор позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты. 7. Аккумуляторов электрической энергии. Существуют некоторые модели трамваев в которых конденсаторы применяются для питания тяговых электродвигателей при движении по обесточенным участкам.

4. Энергия системы неподвижных точечных зарядов Каждый из зарядов, находясь в электрическом поле, обладает потенциальной энергией: Для системы N зарядов: ϕi – потенциал, создаваемый в точке, где находится заряд qi всеми зарядами, кроме него самого.

5. Энергия заряженного уединенного проводника и конденсатора Чтобы перенести заряд dq из бесконечности на уединенный проводник, нужно совершить работу d. A: Энергия заряженного проводника W равна работе А, которую нужно совершить, чтобы зарядить проводник до заряда q: Аналогично для конденсатора получим:

Для плоского конденсатора: где - объемная плотность энергии электростатического поля – энергия поля, приходящаяся на единицу объема - для изотропного диэлектрика

6. Пондеромоторная сила – это сила притяжения между пластинами конденсатора. Работа электрического поля d. A по сближению пластин на расстояние dx равна уменьшению потенциальной энергии конденсатора –d. W: Отсюда: Знак «минус» говорит о том, что это сила притяжения.