Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

В отрицательно заряженном проводнике избыточные электроны из-за взаимного отталкивания расходятся на максимальное расстояние, распределяясь по поверхности проводника.

В положительно заряженном проводнике свободные электроны втягиваются внутрь избыточным положительным зарядом протонов. Из-за ухода электронов с поверхности на ней остается избыточный положительный заряд.

Заряды, сообщенные проводнику, распределяются по его поверхности.

На поверхности электронейтрального проводника, помещенного во внешнее электростатическое поле, происходит перераспределение заряда, называемое электростатической индукцией.

В поле конденсатора отрицательные заряды притягиваются к положительной пластине, положительные – к отрицательной.

Эти заряды называются индуцированными.

Разделение зарядов прекращается, когда сила притяжения зарядов к пластинам будет равна силе притяжения между индуцированными зарядами.

В равновесии движение свободных зарядов прекращается, что свидетельствует об отсутствии электростатического поля внутри проводника.

Если в диэлектрике напряженность поля связанных зарядов лишь уменьшает напряженность внешнего поля, то в проводнике поле индуцированных (наведенных) зарядов полностью его компенсирует.

Идеальный проводник – проводник, в котором движение свободных зарядов возникает при сколь угодно малой напряженности электростатического поля.

Для идеального проводника E=0, следовательно его e®¥

Заряды, сообщенные проводнику, располагаются на его поверхности.

Суммарный заряд внутренней области проводника равен нулю и не влияет на распределение зарядов на поверхности и на напряженность поля внутри проводника.

Напряженность поля внутри полости проводника будет таким же как и в сплошном проводнике (равным нулю).

Электростатическое поле внутрь проводника не проникает.

Это используется при экранировании от электростатических полей.

Экранирование электростатического поля возможно, так как наряду с силами притяжения между зарядами действуют силы отталкивания.

Экранирование гравитационного поля невозможно, так как там действуют только силы притяжения.

Напряженность тела в проводнике равна нулю, следовательно равна нулю и работа по перемещению заряда. При таком перемещении заряда потенциал во всех точках проводника одинаков.

Aq = q(j1 - j2) = 0

Поверхность проводника – эквипотенциальная поверхность.

Линии напряженности электростатического поля перпендикулярны поверхности проводника.

Рассмотрим распределение заряда на двух заряженных сферах, соединенных проводящей перемычкой.

Равновесие зарядов установится тогда, когда сила, действующая на заряды в перемычке, будет равна нулю, т.е. будет равна нулю напряженность поля в ней.

При этом разность потенциалов между сферами так же будет равна нулю.

j1 = j2 =  =

(уравнение потенциала поля точечного заряда и заряженной сферы)

Q1 + Q2 = q1 + q2

(закон сохранения заряда)

Из уравнения потенциалов и закона сохранения заряда получаем, что

заряд на сфере пропорционален ее радиусу.

q2 = R2

Напряженность поля в непосредственной близости от сфер:

E1 =  =

E1 =  =

Чем меньше радиус кривизны поверхности, тем больше напряженность поля вблизи нее.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ(уч.10кл.стр.397-398 )

Определение электрической емкости

Формула. Обозначение. Единицы измерения. Кратные единицы измерения

Формула емкости уединенной сферы радиуса R. Ее физический смысл

Конденсатор (см.ниже уч.10кл.стр.400)

Последовательное и параллельное соединение емкостей

Введем физическую величину, характеризующую способность двух проводников накапливать заряд. Эту величину называют электрической емкостью.

Напряжение U между двумя проводниками пропорционально электрическим зарядам, находящимся на проводниках (+q и –q) Если заряды удвоить, то напряженность электрического поля станет в 2 раза больше, следовательно в 2 раза увеличится и работа, совершаемая полем при перемещении заряда, т.е. в 2 раза увеличится напряжение.

Отношение заряда q одного из проводников (на другом находится такой же по модулю заряд) к разности потенциалов между этими проводником и соседним не зависит от заряда. Оно определяется геометрическими размерами проводников, их взаимным расположением, а так же электрическими свойствами окружающей среды(диэлектрической проницаемости) Это позволяет ввести понятие электроемкости двух проводников:

Электроемкостью двух проводников называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этими проводником и соседним:

C =

Сама емкость не зависит ни от сообщенных проводникам зарядов, ни от возникающего напряжения.

Электроемкость двух проводников равна единице, если при сообщении им зарядов по 1 Кл между ними возникает разность потенциалов 1В.

Эту единицу называют Ф (Фарада) Ф = Кл/В

Уединенный проводник – проводник, на электростатическое поле которого не влияют другие заряженные тела

Говорить об электроемкости одного проводника имеет смысл, если проводник является уединенным, т.е. расположен на большом по сравнению с его размерами расстоянии от других проводников. Так говорят, например, о емкости проводящего шара. При этом подразумевается, что роль другого проводника играют удаленные предметы, расположенные вокруг шара.

Электрическая емкость (электроемкость) уединенного проводника – физическая величина, равная отношению заряда проводника к его потенциалу

C =

Обозначение - С

Единица измерения – Ф (Фарада, в честь ученого Фарадея)

1 Ф = 1 Кл/В

Величиной характеризующей электроемкость сферы, является ее радиус.

Потенциал на поверхности сферы j =

Емкость сферы :

C =  = 4πe0R

Емкость сферы зависит от ее радиуса и не зависит от заряда на ее поверхности.

Емкость в 1 Ф очень большая (больше радиуса Солнца)

R =  ≈ 9*109 м

На практике пользуются кратными единицами электрической емкости:

1 пФ (рF пикофарада) = 10-12 Ф

1 мкФ (mF микрофарада) = 10-6 Ф

При определенном потенциале jmax = Qmax/C заряды начинают покидать проводник. Силы отталкивания выбрасывают заряды с поверхности проводника из-за их слишком большого количества.

Чем больше емкость проводника, тем больший максимальный заряд может на нем находится.

Электроемкость уединенного проводника определяется его геометрическими размерами.

КОНДЕНСАТОР(уч.10кл.стр.399-402)

Электрическая емкость (см.выше уч.10кл.стр.397-399)

Способы увеличения электроемкости проводника.

Опыт по перераспределению заряда в проводниках (уч.10кл.стр.399 на полях)

Определение и модель конденсатора

Электрическая емкость конденсатора

Физическая модель плоского конденсатора.

Напряженность поля в плоском конденсаторе

Формулы напряженности поля и емкости плоского конденсатора

Физический смысл формулы емкости плоского конденсатора

Способы повышения емкости конденсатора

Виды и конструкция конденсаторов

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

КОНДЕНСАТОР ПРИ ПРЕМЕННОМ ТОКЕ (ДОБАВИТЬ ИЗ ДРУГОГО ИСТОЧНИКА)

Электроемкость уединенного проводника определяется его геометрическими размерами.

Существуют способы, позволяющие увеличить максимальный заряд, который может находится на проводнике определенного размера. Т.е. увеличить электроемкость проводника.

Подсоединим положительно заряженную пластину к электроскопу. Заряд распределиться между платинами поровну.

Поднесем к заряженной пластине нейтральную заземленную пластину.

На ближайшей к положительной платине стороне в результате электростатического притяжения начинают скапливаться отрицательные заряды.

В тоже время с противоположной стороны пластины положительные заряды стекают на землю, имеющую значительную электроемкость.

Отрицательные заряды на заземленной пластине притягивают дополнительные положительные заряды к положительной пластине от электроскопа.

Таким образом, введение дополнительного проводника (заземленной пластины) увеличивает способность системы накапливать заряды, т.е. увеличивает ее электроемкость.

Конденсатор – система из двух проводников с равными по величине и противоположными по знаку зарядами.

Большой электроемкостью обладают системы из двух проводников, называемые конденсаторами. Конденсатор представляет собой два проводника, разделенные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Проводники в этом случае называют обкладками конденсатора.

В конденсаторе накапливается электрический заряд и соответственно энергия электростатического поля.

Способность конденсатора к накоплению заряда характеризует его электрическая емкость.

Электрическая емкость конденсатора – физическая величина, равная отношению заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним.

C =

Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых параллельных плоских пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга.

Если заряды пластин одинаковы по модулю и противоположны по знаку, то силовые линии электрического поля начинаются на положительно заряженной обкладке конденсатора и заканчиваются на отрицательно заряженной.

Почти все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора.

У сферического конденсатора, состоящего из двух концентрических сфер, все поле сосредоточено между ними.

Электрические поля окружающих тел почти не проникают внутрь конденсатора и не влияют на разность потенциалов между его обкладками. Поэтому электрическая емкость конденсатора практически не зависит от наличия вблизи него каких-либо других тел.

Под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение заряда одной из обкладок.

Плоский конденсатор – система из двух плоскопараллельных пластин площадью S, находящихся на расстоянии d друг от друга.

Будем считать, что пространство между пластинами заполнено воздухом с относительной диэлектрической проницаемостью e ≈ 1.

Напряженность однородного поля внутри конденсатора складывается (по принципу суперпозиции) из напряженности полей положительной и отрицательной пластин.

E+ = E - =  (формула напряженности поля заряженной плоскости)

E = E+ + E - =

где σ =  - поверхностная плотность заряда Кл/м2

Вне пластин поле отсутствует, так как напряженности пластин компенсируют друг друга.

Конденсатор сосредотачивает электростатическое поле в пространстве между пластинами.

Разность потенциалов между пластинами:

U = Ed = d

Емкость плоского конденсатора:

C = =

Электрическая емкость плоского воздушного конденсатора зависит только от его геометрических характеристик: площади пластин и расстояния между ними.

Если между пластин конденсатора пометить диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемостью e, то емкость конденсатора возрастет в e раз:

C =

В результате введения диэлектрика его связанные заряды притягивают дополнительные заряды на обкладки конденсатора, увеличивая его электроемкость.

Емкость конденсатора можно увеличивать:

- уменьшая расстояние между пластин

- увеличивая площадь пластин

- повышая e диэлектрика между пластин

(Слюдяной конденсатор состоит из двух листов тонкой пленки с слюдяной прокладкой между ними. Все это свернуто в трубочку)

Электроемкость конденсатора зависит от:

- площади пластин

- расстояния между пластинами

- относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика между пластинами

Электроемкость конденсатора не зависит от:

- заряда на пластинах

- разности потенциалов приложенный к пластинам

- внешнего электростатического поля, не проникающего внутрь конденсатора

Условное обозначение конденсатора:

Условно конденсатор можно рассматривать как частотно-зависимый резистор.

Для решения некоторых задач (шунтирование, связывание контуров, создание частотно зависимых делителей напряжения) больших знаний о конденсаторе и не требуется. Другие задачи (построение фильтров, резонансных схем и др.) требуют более глубоких знаний.

Конденсатор, имеющий емкость С фарад, к которому приложено напряжение U вольт, накапливает заряд Q кулон:

Q = CU

Продифференцировав выражение по времени dt получим (учитывая, что I = dQ/dt):

I = C (dU/dt)

Ток через конденсатор пропорционален не напряжению, а скорости его изменения.

ДОБАВИТЬ ПРО КОНДЕНСАТОР В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Конденсатор не рассеивает энергию, хотя через него протекает ток, так как напряжение и ток на конденсаторе смещены друг относительно друга на 90о.

Устройство конденсатора

Простейший конденсатор состоит из двух проводников в виде листов, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, но не касающихся друг друга.

Чтобы получить большую емкость, нужна большая площадь и меньший зазор между проводниками. Обычно для этого один из проводников покрывают тонким слоем изолирующего материала (диэлектрика), либо напыляют проводник на лист диэлектрика. Листы проводников и диэлектрика скручивают в трубочку для уменьшения габаритов.

Типы конденсаторов

Широкое распространение получили следующие типы конденсаторов:

-         Керамические

-         Танталовые

-         Электролитические – изготовленные из металлической фольги с оксидной пленкой в качестве изолятора. Обладают наибольшей емкостью

-         Слюдяные – изготовленные из металлизированной слюды

-         Майларовые – изготовленные из покрытой алюминием (алитированной) майларовой пленки

Каждому типу конденсаторов присущи свои свойства и области применения.

Характеристики различных типов конденсаторов.

Конденсаторы используются в различных радиоэлектронных устройствах. Они используются для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока, для разделения постоянной и переменной составляющей тока, в электрических колебательных контурах радиопередатчиков и радиоприёмников, для накопления больших запасов электрической энергии при проведении физических экспериментов в области лазерной техники и управляемого термоядерного синтеза.

Параллельное соединение конденсаторов

Приложим напряжение к параллельно соединенным конденсаторам:

CU = Q = Q1+...+Qn=C1U+...+CnU=(C1+...+Cn)U

C = C1 + ... + Cn

Последовательное соединение конденсаторов

Для последовательного соединения конденсаторов имеем такое же выражение, как для параллельного соединения резисторов:

C =

ЕМКОСТЬ ПЛОСКОГО КОНДЕНСАТОРА(уч.10кл.стр.400-402)

См.выше «Конденсатор» (уч.10кл.стр. 400-402)

ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ(уч.10кл.стр.386-390)

Понятие и определение свободного заряда

Понятие и определение связанного заряда

Определение проводника. Примеры

Определение диэлектрика. Примеры

Полярные и неполярные диэлектрики. Примеры

Поведение полярных и неполярных диэлектриков в электростатическом поле

Определение и физика процесса поляризации диэлектриков

Диэлектрическая проницаемость и напряженность поля в диэлектрике(см.ниже уч.10кл.стр.390-391)

На силу взаимодействия между заряженными частицами существенно влияет среда, в которой они находятся. В среде сила взаимодействия всегда ниже чем в вакууме.

Любая среда ослабляет напряженность поля. Степень уменьшения напряженности зависит от свойств среды.

Электрические характеристики среды определяются подвижностью заряженных частиц в ней.

Подвижность заряженных частиц в веществе определяется его строением.

Все вещества по концентрации и уровню подвижности заряженных частиц делятся на три группы:

- проводники

- диэлектрики

- полупроводники

Свободные заряды – заряженные частицы одного знака, способные перемещаться под действием электрического поля.

Связанные заряды – разноименные заряды входящие в состав атомов (или молекул), которые не могут перемещаться под действием электрического поля независимо друг от друга.

Свободные заряды не могут возникнуть, если энергия связи электрона со своим атомом велика по сравнению с энергией его взаимодействия с соседними атомами вещества.

Проводник – вещество, в котором свободные заряды могут перемещаться по всему объему.

Большинство металлов и растворов солей – проводники.

Диэлектрик – вещество, содержащее только связанные заряды.

Свободные заряды в диэлектрике отсутствуют. Он практически не проводит электрический ток.

Газы и некоторые жидкости – диэлектрики.

В полупроводнике энергия связи электронов с атомом соизмерима с энергией взаимодействия с соседними атомами. Свободные электроны в полупроводнике могут образовываться только при получении дополнительной энергии ( в результате нагревания или под действием электрического поля)

Полупроводник – вещество, в котором количество свободных зарядов зависит от внешних условий (температуры, напряженности электрического поля)

К полупроводникам относятся примерно 80% веществ: минералы, кремний, селен, германий и т.д.)

Молекулы по структуре распределения в них электрического заряда делятся на два вида:

- полярные

- неполярные

В полярных молекулах (H20, CO, SO2) центры связанных зарядов (ядер, электронных оболочек) находятся на некотором расстоянии друг от друга. Моделью такой электронейтральной молекулы может служить электрический диполь.

В неполярных молекулах (H2, N2, O2), имеющих симметричное строение, центры положительных и отрицательных связанных зарядов совпадают.

Диэлектрики в соответствии со структурой их молекул, делятся на два вида:

- полярные

- неполярные

Полярный диэлектрик состоит из полярных молекул, неполярный – из неполярных.

Внутри диэлектрика, помещенного во внешне электростатическое поле происходит пространственное перераспределение заряда.

В полярных диэлектриках внешнее поле поворачивает хаотически расположенные молекулы вдоль напряженности поля.

В неполярных диэлектриках электростатическое поле сначала поляризует молекулы, растягивая в разные стороны положительные и отрицательные заряды, а затем поворачивает их вдоль оси напряженности поля.

Поляризация диэлектрика – процесс ориентации диполей или появление под действием внешнего электростатического поля ориентированных по полю диполей.

В зависимости от механизма поляризации различают:

- деформационная поляризация

- ориентационная поляризация

Независимо от вида поляризации у любого поляризованного диэлектрика появляется в электрическом поле суммарный электрический дипольный момент.

Тепловое движение молекул препятствует упорядоченной ориентации всех диполей. Только при температуре абсолютного нуля все диполи выстроились бы вдоль силовых линий поля. Таким образом, под влияние поля происходит лишь частичная ориентация электрических диполей. Это означает, что в среднем число диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем число диполей, ориентированных против поля.

Явление поляризации описывается с помощью важной характеристики поляризованности или вектора поляризации.

Поляризованностью диэлектрика называется физическая величина численно равная суммарному электрическому (дипольному) моменту молекул заключенных в единице объем:.

??? =  УТОЧНИТЬ ОБОЗНАЧЕНИЕ

Единица измерения – Кл/м2

ΣPi - суммарный электрический момент всего образца

Активные диэлектрики

У обычных диэлектриков поляризованность исчезает при исчезновении внешнего электрического поля. Наряду с однородными изотропными диэлектриками существуют диэлектрики с особыми свойствами, в которых зависимость поляризованности от напряженности внешнего электрического поля носить нелинейный характер.

Сигментодиэлектрики – зависимость поляризованности от напряжения внешнего электрического поля Е представляет собой петлю гистерезиса. После снятие внешнего электрического поля сохраняется остаточная поляризованность.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ(уч.10кл.390-391)

Диэлектрики см.выше (уч.10кл.стр.386-390)

Относительная диэлектрическая проницаемость.

Формула. Обозначение. Единицы измерения

Напряженность поля в диэлектрике.

Напряженность поля сферы и плоскости при наличии среды

Емкость плоского конденсатора при наличии среды

Разрыв линий напряженности на границе сред с разной диэлектрической проницаемостью

Использование электризации в промышленности (угольный фильтр)

В диэлектрике напряженность суммарного поля связанных зарядов направлена противоположно напряженности внешнего поля.

Вследствие этого поле в диэлектрике ослабляется. Степень ослабления зависит от свойств диэлектрика.

Ослабление поля в диэлектрике по сравнению с вакуумом характеризует относительная диэлектрическая проницаемость.

Относительная диэлектрическая проницаемость среды – число, показывающее во сколько раз модуль напряженности электростатического поля в однородном диэлектрике  меньше, чем напряженность поля в вакууме

e =

Обозначение - e

Данная формула справедлива только для однородной среды или для случаев особой симметрии тела, например пластины в однородном поле.

Для тела произвольной формы зависимость  и  гораздо сложнее и определяется формой тела и его ориентацией по отношению к .

Следовательно, напряженность поля в диэлектрике:

E =

Кулоновская сила взаимодействия двух точечных зарядов в диэлектрике уменьшается в e раз по сравнению с вакуумом:

F12 =  

Силы между заряженными телами в отличие от сил всемирного тяготения зависят от свойств среды, в которой эти тела находятся.

Соответственно, в диэлектрике уменьшается напряженность поля точечного заряда, диполя, заряженной сферы и т.д.

Аналогично уменьшается и разность потенциалов.

Напряженность поля вне равномерно заряженной сферы совпадает с напряженностью поля точечного заряда, равного заряду сферы и помещенного в ее центре.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43