Напряженность поля внутри проводника. Эквипотенциальная поверхность проводника. Электростатическая индукция.

Напряженность ( ) - векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой электрического поля.

Известно, что проводник — это такое тело, в котором имеются свободные заряды. Эти заряды действительно свободно могут перемещаться по всему объему проводника. Единственным препятствием для их передвижения служит поверхность проводника, которую они сами покинуть не могут.

Рассмотрим изолированный проводник, которому сообщен электрический заряд. Вокруг такого проводника, конечно, создается электростатическое поле. Докажем, что внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует, то есть напряженность поля равна нулю.

Как известно, в незаряженном проводнике отрицательный заряд всех электронов точно сбалансирован положительным зарядом всех протонов, и их суммарный заряд равен нулю. Но если проводник заряжен, то баланс зарядов нарушается. В проводнике создается избыток свободных электронов, если он заряжен отрицательно, или избыток протонов (недостаток электронов), если он заряжен положительно. В первом случае, взаимно отталкиваясь, избыточные электроны разойдутся друг от друга на максимально возможные расстояния, вследствие чего они расположатся на поверхности проводника (которую покинуть не могут). Внутри же проводника баланс зарядов восстановится, и там суммарный заряд снова станет равным нулю.

Во втором случае, наоборот, часть электронов с поверхности проводника, вследствие сил притяжения к положительным зарядам, устремится внутрь проводника и сбалансирует избыточные положительные заряды. Суммарный заряд внутри проводника снова станет равным нулю, а избыточный положительный заряд сосредоточится на его поверхности.

Выходит, что заряд любого знака, сообщенный проводнику, располагается на его поверхности. Внутри же проводника, то есть внутри замкнутой поверхности, которой в данном случае служит поверхность самого проводника, заряд ранен нулю (q = 0). Но тогда из теоремы Гаусса следует, что, внутри проводника поля нет.

Эквипотенциальные поверхности - поверхности, во всех точках которых потенциал (энергетическая хар-ка поля) имеет одно и то же значение. Иначе говоря, разность потенциалов между любыми двумя точками этой поверхности равна нулю, и работа по перемещению заряда вдоль этой поверхности равна нулю.

Если поле создается точечным зарядом, то его эквипотенциальные поверхности - концентрические сферы, а линии напряженности радиальные прямые. Вектор Е всегда нормален (нормаль - это перпендикуляр к касательной) к эквипот. поверхностям, а поэтому линии вектора Е (силовые линии) перпендикулярны этим поверхностям.

Тот факт, что силовые линии электрического поля перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям, помогает построению эквипотенциальных поверхностей, если известно расположение силовых линий.

Изображение эквипотенциальных поверхностей проводника.

 

В статическом случае внутри проводника не существует электрическое поле, так как в противном случае на свободные электроны действовала бы сила и они пришли бы в движение. Иными словами, в статическом случае проводник должен находиться целиком под одним и тем же потенциалом, и поверхность проводника является, таким образом, эквипотенциальной. (Иначе свободные электроны на поверхности пришли бы в движение.) Это полностью согласуется с уже отмеченным выше фактом, что электрическое поле у поверхности проводника перпендикулярно поверхности проводника.

Электростатическая индукция - появление (наведение) электрических зарядов разного знака на противоположных участках поверхности проводника или диэлектрика в электростатическом поле.

Если во внешнее электростатическое поле внести нейтральный проводник, то свободные заряды (электроны, ионы) будут перемещаться: положительные — по полю, отрицательные — против поля (рис. 1, а). На одном конце проводника будет скапливаться избыток положительного заряда, на другом — избыток отрицательного. Эти заряды называются индуцированными. Процесс будет происходить до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника — перпендикулярными его поверхности (рис. 1, б). Таким образом, нейтральный проводник, внесенный в электростатическое поле, разрывает часть линий напряженности; они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

 

32. Конденсатор. Плоский конденсатор. Емкость плоского конденсатора. Соединение конденсаторов в батарею.

Конденсатор - устройство, способное при малых размерах и небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать заряд (обладать большой емкостью).

По сути это два проводника(обкладки), разделенные слоем диэлектрика.

Все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора. Свободные заряды, возникающие на разных обкладках противополжны по знаку и равны по модулю.

Конденсаторы бывают плоские (две плоские пластины); цилиндрические(два коаксикальных цилиндра); сферические(две концентрические сферы).

Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга и имеющие заряды +Q и -Q.

Емкость конденсатора - это физическая величина, равная отношению зарядa Q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов между его обкладками:

Ёмкость плоского конденсатора , где где S - площадь пластины (обкладки) конденсатора; d - расстояние между пластинами; eо - электрическая постоянная; e - диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Включение конденсаторов в электрическую цепь бывает параллельное и последовательное.

При параллельном включении разность потенциалов на обкладках одинакова и равна . Заряды равны …

а заряд батареи конденсаторов

Полная емкость батареи C=Q/ = , т.е. при параллельном соединении конденсаторов она равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

У последовательно соединенных конденсаторов заряды обкладок равны по модулю, а разность потенциалов на зажимах батареи , где для любого из рассматриваемых конденсаторов = Q/Ci. C другой стороны, = Q/C= , откуда

, т.е. при последовательном соединении суммируются величины обратные емкостям. Т.о. при последовательном соединении конденсаторов результирующая емкость всегда меньше наименьшей емкости, используемой в батарее.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: