ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Сентябрь 2, 2022

Главная
Алгебра
ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Содержание

2. Тема 4. ЭНЕРГИЯ В ЭЛЕКТРОСТАТИКЕ Тема 5. ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
3. 4. Энергия в электростатике 4.1. Взаимодействие двух точечных зарядов. 4.2. Энергия взаимодействия системы из N-штук точечных
4. 4.1. Энергия взаимодействия двух точечных зарядов. В пункте 2.3. было показано, что разные пробные заряды q',q'',…
5. Если поле создано двумя точечными зарядами q1 и q2, то Здесь φ12 – потенциал поля, создаваемого
6. Для вакуума можно записать Здесь r – расстояние между зарядами. Из этих уравнений следует, что Аналогично
7. 4.3. Полная электростатическая энергия заряженного тела. Полную энергию можно интерпретировать как ту минимальную работу, которую мы
8. 4.4. О локализации электростатической энергии. Рассмотрим однородно по поверхности заряженную сферу. Уменьшим ее радиус на .
9. Выяснить, где именно, в заряде или в поле, локализована энергия электростатика не позволяет, но мы знаем
10. 4.5 Энергия системы, состоящей из двух заряженных тел. Умножим все на и проинтегрируем
11. 5.1.Проводники в электростатике 5.1.1. Напряженность и потенциал электростатического поля в проводнике В проводниках имеются электрически заряженные
12. При внесении металлического проводника во внешнее электростатическое поле, электроны проводимости перемещаются (перераспределяются) до тех пор, пока
13. 5.1.2. Определение напряженности электростатического поля вблизи проводника Выберем гауссову поверхность в виде небольшого цилиндра маленькой высоты
14. 5.1.3. Экспериментальная проверка распределения заряда на проводнике Проверим экспериментально сделанные нами выводы: 1. Заряженный кондуктор В
15. Из рисунка видно, что напряженность электростатического поля максимальна на острие заряженного проводника.
16. 2. Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю
17. 3. Стекание электростатических зарядов с острия. Большая напряженность поля E на остриях – нежелательное явление, т.к.
18. 4. Электростатический генератор (ЭСГ). Если заряженный металлический шарик привести в соприкосновение с поверхностью, какого либо, проводника,
19. Потенциал полого проводника может быть больше, чем потенциал шарика, тем не менее, заряд с шарика стечет
20. ВАН ДЕ ГРААФ Роберт (1901 – 1967) - американский физик. Окончил университет штата Алабама (1922). Совершенствовал
22. Зарядное устройство заряжает ленту транспортера положительными зарядами. Лента переносит их вовнутрь сферы и там происходит съем
23. См. ЭКСПЕРИМЕНТ Эквипотенциальность проводника Распределение зарядов Электростатическая защита Метод зеркальных изображений
24. 5.2. Метод электростатических изображений Точечный заряд +q находится на расстоянии h от плоской поверхности незаряженного полубесконечного
30. 5.3. Конденсаторы 5.3.1. Электрическая емкость. При сообщении проводнику заряда, на его поверхности появляется потенциал φ. Но
31. Пример 1. Емкость C уединенной проводящей сферы радиуса R. 1.Найдем с помощью теоремы Гаусса 2.Найдем потенциал
32. Пример 2. Энергия заряженной уединенной проводящей сферы. 1й способ. поверхность сферы является эквипотенциальной поверхностью. 2й способ.
33. Фарад — очень большая ёмкость. Емкостью 1Ф обладал бы уединенный шар, радиус которого был бы равен
34. 5.3.2. Взаимная электроемкость. Конденсаторы Необходимость в устройствах, накапливающих заряд есть, а уединенные проводники обладают малой емкостью.
35. Конструкция такова, что внешние окружающие конденсатор тела не оказывают влияние на электроемкость конденсатора. Это будет выполняться,
36. Пример 3. Найдем формулу для емкости плоского конденсатора. С помощью теоремы Гаусса в интегральной форме находим
37. Пример 4. Найдем энергию заряженного плоского конденсатора. 1й способ 2й способ
38. 5.3.3. Соединение конденсаторов Емкостные батареи – комбинации параллельных и последовательных соединений конденсаторов. 1) Параллельное соединение Общим
39. Сравните с параллельным соединением сопротивлений R: Таким образом, при параллельном соединении конденсаторов, их емкости складываются. 2)
40. Емкость цилиндрического конденсатора. Разность потенциалов между обкладками цилиндрического конденсатора где λ – линейная плотность заряда, R1и
41. Понятно, что если зазор между обкладками мал: d = R2 – R1, то есть d 2.
42. В шаровом конденсаторе R1 ≈ R2; S = 4πR2; R2 – R1 = d – расстояние
43. См. ЭКСПЕРИМЕНТ Емкость Емкость уединенного проводника Емкость плоского конденсатора Зависимость емкости от свойств среды (15-17.avi)
44. Кто не ходит на лекции и семинары, запасайтесь справками!
46. Скачать презентацию

Слайд 2

Тема 4. ЭНЕРГИЯ В ЭЛЕКТРОСТАТИКЕ Тема 5. ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Слайд 3

4. Энергия в электростатике
4.1. Взаимодействие двух точечных зарядов.
4.2. Энергия взаимодействия системы

из N-штук точечных зарядов.
4.3. Полная электростатическая энергия заряженного тела.
4.4. О локализации электростатической энергии.
4.5. Электростатическая энергия системы, состоящей из двух заряженных тел.
5. 5. Проводники в электростатике
5.1. Проводник и электростатическое поле.
5.2. Метод электростатических изображений.
5.3. Электрическая емкость.

Слайд 4

4.1. Энергия взаимодействия двух точечных зарядов.
В пункте 2.3. было показано,

что разные пробные заряды q',q'',… будут обладать в одной и той же точке поля разными энергиями W', W'' и так далее. Однако отношение
будет для всех зарядов одним и тем же.
Поэтому мы ввели скалярную величину, являющуюся энергетической характеристикой собственно поля – потенциал:

выражение для энергии взаимодействия точечного заряда
с внешним полем принимает вид

, где ϕ – потенциал, созданный зарядом

, в той точке, куда мы поместили заряд

Слайд 5

Если поле создано двумя точечными зарядами q1 и q2, то
Здесь

φ12 – потенциал поля, создаваемого зарядом q2 в точке, где расположен заряд q1, φ21 – потенциал поля от заряда q1 в точке с зарядом q2.

Слайд 6

Для вакуума можно записать
Здесь r – расстояние между зарядами. Из

этих уравнений следует, что
Аналогично можно получить
Энергия системы из N зарядов (самостоятельно):
потенциал в точке, где расположен заряд qi,
создаваемый всеми остальными зарядами (кроме qi).

Слайд 7

4.3. Полная электростатическая энергия заряженного тела.
Полную энергию можно интерпретировать как ту

минимальную работу, которую мы должны совершить, если мы из бесконечно маленьких зарядов расположенных на бесконечности друг от друга, так что они не взаимодействуют друг с другом, соберем какую-то пространственную конфигурацию в какой-то точке пространства.

Слайд 8

4.4. О локализации электростатической энергии.
Рассмотрим однородно по поверхности заряженную сферу.

Уменьшим ее радиус на .
При этом энергия сферы

Слайд 9

Выяснить, где именно, в заряде или в поле, локализована энергия электростатика

не позволяет, но мы знаем об электромагнитных волнах, которые способны переносить энергию в пустом пространстве, где нет зарядов, изучив закон, которому подчиняется переменное электромагнитное поле, мы увидим, что (4) справедлива всегда, а (2) и (3) - только в электростатике.

Слайд 10

4.5 Энергия системы, состоящей из двух заряженных тел.
Умножим все на и

проинтегрируем

Слайд 11

5.1.Проводники в электростатике 5.1.1. Напряженность и потенциал электростатического поля в проводнике
В

проводниках имеются электрически заряженные частицы – носители заряда (электроны в металлах, ионы в электролитах) способные перемещаться по всему объему проводника под действием внешнего электростатического поля.
Носителями заряда в металлах являются электроны проводимости. Они возникают за счет обобществления валентных электронов.
При отсутствии электрического поля металлический проводник является электрически нейтральным – электростатическое поле создаваемое положительными и отрицательными зарядами внутри него компенсируется.

Слайд 12

При внесении металлического проводника во внешнее электростатическое поле, электроны проводимости перемещаются

(перераспределяются) до тех пор, пока всюду внутри проводника поле электронов проводимости и положительных ионов не скомпенсирует внешнее поле.
1. В любой точке внутри проводника, находящимся в электростатическом поле ;
2. Внутренняя область проводника и его поверхность эквипотенциальны φ = const.
3. Внутри проводника (объёмная плотность заряда).
4. На поверхности проводника напряженность направлена по нормали к этой поверхности, иначе, под действием составляющей Eτ, касательной к поверхности, заряды перемещались бы по проводнику, а это противоречило бы их статическому распределению.
Вне заряженного проводника – поле есть, следовательно, должен быть вектор , и направлен он перпендикулярно поверхности!

Слайд 13

5.1.2. Определение напряженности электростатического поля вблизи проводника
Выберем гауссову поверхность в виде

небольшого цилиндра маленькой высоты так, как он изображен на рисунке. Этот цилиндр вырезает из поверхности проводника вместе с расположенными на нем зарядами некоторый фрагмент площади

Применим теорему Гаусса. Поле внутри проводника = 0, поэтому и поток через нижний торец тоже равен нулю. Поток через верхний торец будет равен
Поток через боковую поверхность будет равен нулю.

Слайд 14

5.1.3. Экспериментальная проверка распределения заряда на проводнике
Проверим экспериментально сделанные нами выводы:
1.

Заряженный кондуктор

В местах разной напряженности электростатического поля лепестки бумажки расходятся по-разному:

на поверхности 1 – максимальное расхождение,
на поверхности 2 заряд распределен равномерно q = const и имеем одинаковое расхождение лепестков.

Электрометр – прибор, с помощью которого измеряют заряд и потенциал кондуктора. Если сообщить электрометру заряд с острия, то будет максимальное отклонение стрелки электрометра; с поверхности 2 – отклонение будет меньше; и нулевое отклонение с поверхности 3 внутри кондуктора.

Слайд 15

Из рисунка видно, что напряженность электростатического поля максимальна на острие заряженного

проводника.

Слайд 16

2. Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю

Слайд 17

3. Стекание электростатических зарядов с острия.
Большая напряженность поля E

на остриях – нежелательное явление, т.к. происходит утечка зарядов и ионизация воздуха. Ионы уносят электрический заряд, образуется как бы «электрический ветер» («огни Святого Эльма»).
Есть наглядные эксперименты по этому явлению: сдувание пламени свечи электрическим ветром; колесо Франклина или вертушка.
На этом принципе построен электростатический двигатель.

Слайд 18

4. Электростатический генератор (ЭСГ).
Если заряженный металлический шарик привести в соприкосновение с

поверхностью, какого либо, проводника, то заряд шарика частично передается проводнику: шарик будет разряжаться до тех пор, пока их потенциалы не выровняются. Иначе обстоит дело, если шарик привести в соприкосновение с внутренней поверхностью полого проводника. При этом весь заряд с шарика стечет на проводник и распределится на внешней поверхности проводника.

Слайд 19

Потенциал полого проводника может быть больше, чем потенциал шарика, тем не

менее, заряд с шарика стечет полностью: В точке 1 φШ < φПР, но пока мы переносили шарик в полость, мы совершили работу по преодолению сил отталкивания, и тем самым, увеличивая потенциальную

энергию – увеличили потенциал шарика. То есть пока вносим шарик, потенциал его станет больше и заряд будет, как обычно, перетекать от большего потенциала к меньшому. Перенося с помощью шарика следующую порцию заряда, мы совершаем еще большую работу. Это наглядный пример того, что потенциал – энергетическая характеристика.

Слайд 20

ВАН ДЕ ГРААФ Роберт (1901 – 1967) - американский физик.
Окончил

университет штата Алабама (1922). Совершенствовал знания в Сорбонне и Оксфорде. В 1929-31 работал в Принстонском университете, в 1931 –60 –

в Массачусетском технологическом институте.
Научные исследования в области ядерной физики и ускорительной техники.
Выдвинул идею тандемного ускорителя и к 1958 построил первый тандемный ускоритель отрицательных ионов.
Изобрел в 1931 году высоковольтный электростатический ускоритель (генератор Ван де Граафа), спроектировал и построил генератор с диаметром сфер по 4,5 м.
В 1936 построил самый большой из традиционных генераторов постоянного напряжения.

Слайд 21

Слайд 22

Зарядное устройство заряжает ленту транспортера положительными зарядами. Лента переносит их вовнутрь

сферы и там происходит съем положительных зарядов. Далее они стекают на внешнюю поверхность. Так можно получить потенциал относительно земли в несколько миллионов вольт –

ограничение – ток утечки. Такие генераторы существуют в настоящие время. Например, в Массачусетском технологическом институте построен генератор с диаметром сферы 4,5 метров и получен потенциал 3 ÷ 5·106 В.
В Томске очень развита ускорительная техника. Так, только в НИИ ядерной физики имеется около десяти ускорителей (генераторы различного класса). Один из них ЭСГ или генератор Ван-де-Граафа. Он изготовлен в специальной башне и на нем получали потенциал один миллион вольт.

Слайд 23

См. ЭКСПЕРИМЕНТ
Эквипотенциальность проводника
Распределение зарядов
Электростатическая защита

Метод зеркальных изображений

Слайд 24

5.2. Метод электростатических изображений
Точечный заряд +q находится на расстоянии h

от плоской поверхности незаряженного полубесконечного проводника
Найти ,
индуцированного на проводнике. r – расстояние от основания перпендикуляра , опущенного на плоскость из заряда q, до точки, в которой определяем

Полупространство проводника

Слайд 25

Слайд 26

Слайд 27

Слайд 28

Слайд 29

Слайд 30

5.3. Конденсаторы 5.3.1. Электрическая емкость.
При сообщении проводнику заряда, на его

поверхности появляется потенциал φ. Но если этот же заряд сообщить другому проводнику, то потенциал будет другой. Это зависит от геометрических параметров проводника. Но в любом случае, потенциал φ пропорционален заряду q.
Фара́д (обозначение: Ф, F) — единица измерения электрической ёмкости) — единица измерения электрической ёмкости в системе СИ (ранее называлась фара́да).
1 фарад равен электрической ёмкости конденсатора1 фарад равен электрической ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон1 фарад равен электрической ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон создаёт между обкладками конденсатора напряжение 1 вольт.
Ф = КлФ = Кл/ВФ = Кл/В = AФ = Кл/В = A·c/B
1Ф = А² · с4 / кг · м²
Единица названа в честь английского физика Майкла Фарадея

Слайд 31

Пример 1. Емкость C уединенной проводящей сферы радиуса R.
1.Найдем с помощью

теоремы Гаусса
2.Найдем потенциал поверхности через интегральную формулу для убыли потенциала
3.Электрическая емкость

Слайд 32

Пример 2. Энергия заряженной уединенной проводящей сферы.
1й способ.
поверхность сферы является эквипотенциальной

поверхностью.
2й способ. энергия аккумулирована не на заряженной поверхности, а в той области пространства, где находится электрическое поле, то есть

Слайд 33

Фарад — очень большая ёмкость. Емкостью 1Ф обладал бы уединенный шар, радиус

которого был бы равен 13 радиусам Солнца.
Для сравнения, ёмкость Земли (шара размером с Землю, как уединенного проводника) составляет всего около 700 микрофарад.
Промышленно выпускаемые конденсаторы обычно имеют номиналы измеряемые в нано- и пикофарадах. Емкость т. н. ионисторов (конденсаторов с двойным электрическим слоем) может достигать нескольких килофарад. В современной звуковой аппаратуре используют конденсатор гибридный ёмкостью до 40 Фарад.

Слайд 34

5.3.2. Взаимная электроемкость. Конденсаторы
Необходимость в устройствах, накапливающих заряд есть, а уединенные

проводники обладают малой емкостью. Обратите внимание, что электроемкость проводника увеличивается, если к нему поднести другой проводник – явление электростатической индукции.
Введем понятие
взаимной емкости
двух проводников
(такую систему
обычно называют
конденсатором,
а проводники
его обкладками).

Слайд 35

Конструкция такова, что внешние окружающие конденсатор тела не оказывают влияние на

электроемкость конденсатора. Это будет выполняться, если электростатическое поле будет сосредоточено внутри конденсатора между обкладками.
Конденсаторы бывают плоские, цилиндрические и сферические.
Так как электростатическое поле находится внутри конденсатора, то линии электрического смещения начинаются на положительной обкладке и заканчиваются на отрицательной – и никуда не исчезают. Следовательно, заряды на обкладках противоположны по знаку, но одинаковы по величине.

Слайд 36

Пример 3. Найдем формулу для емкости плоского конденсатора.
С помощью теоремы

Гаусса в интегральной форме находим напряженность поля одной пластины
Напряженность между обкладками равна
Разность потенциалов между обкладками
По определению

Слайд 37

Пример 4. Найдем энергию заряженного плоского конденсатора.
1й способ
2й способ

Слайд 38

5.3.3. Соединение конденсаторов
Емкостные батареи – комбинации параллельных и последовательных соединений конденсаторов.
1)

Параллельное соединение

Общим является напряжение U
Суммарный заряд:
q = q1 + q2 = U(C1 + C2).

Результирующая емкость:

Слайд 39

Сравните с параллельным соединением сопротивлений R:
Таким образом, при параллельном соединении конденсаторов,

их емкости складываются.
2) Последовательное соединение :
Общим является заряд q

R = R1 + R2

Слайд 40

Емкость цилиндрического конденсатора.
Разность потенциалов между обкладками цилиндрического конденсатора
где λ –

линейная плотность заряда, R1и R2 – радиусы цилиндрических обкладок.
q = λl, (l – длина конденсатора)

5.4.3. Расчет емкостей различных конденсаторов

Слайд 41

Понятно, что если зазор между обкладками мал: d = R2 –

R1, то есть d << R1, тогда
2. Емкость шарового конденсатора.
Это разность потенциалов между обкладками шарового конденсатора, где R1 и R2 – радиусы шаров.

Слайд 42

В шаровом конденсаторе R1 ≈ R2; S = 4πR2; R2 –

R1 = d – расстояние между обкладками. Тогда
Таким образом, емкость шарового конденсатора,

что совпадает с емкостями плоского и цилиндрического конденсатора.
О ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОГОВОРИМ ПОЗЖЕ!!!
Смотри демонстрационный вариант рубежного контроля!!!

Слайд 43

См. ЭКСПЕРИМЕНТ
Емкость
Емкость уединенного проводника
Емкость плоского конденсатора
Зависимость емкости от

свойств среды (15-17.avi)

Слайд 44

ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Содержание

Тема 4. ЭНЕРГИЯ В ЭЛЕКТРОСТАТИКЕ Тема 5. ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

4. Энергия в электростатике4.1. Взаимодействие двух точечных зарядов.4.2. Энергия взаимодействия системы

4.1. Энергия взаимодействия двух точечных зарядов. В пункте 2.3. было показано,

Если поле создано двумя точечными зарядами q1 и q2, то Здесь

Для вакуума можно записать Здесь r – расстояние между зарядами. Из

4.3. Полная электростатическая энергия заряженного тела.Полную энергию можно интерпретировать как ту

4.4. О локализации электростатической энергии. Рассмотрим однородно по поверхности заряженную сферу.

Выяснить, где именно, в заряде или в поле, локализована энергия электростатика

4.5 Энергия системы, состоящей из двух заряженных тел.Умножим все на и

5.1.Проводники в электростатике 5.1.1. Напряженность и потенциал электростатического поля в проводникеВ

При внесении металлического проводника во внешнее электростатическое поле, электроны проводимости перемещаются

5.1.2. Определение напряженности электростатического поля вблизи проводникаВыберем гауссову поверхность в виде

5.1.3. Экспериментальная проверка распределения заряда на проводникеПроверим экспериментально сделанные нами выводы:1.

Из рисунка видно, что напряженность электростатического поля максимальна на острие заряженного

2. Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю

3. Стекание электростатических зарядов с острия.Большая напряженность поля E

4. Электростатический генератор (ЭСГ).Если заряженный металлический шарик привести в соприкосновение с

Потенциал полого проводника может быть больше, чем потенциал шарика, тем не

ВАН ДЕ ГРААФ Роберт (1901 – 1967) - американский физик. Окончил

Зарядное устройство заряжает ленту транспортера положительными зарядами. Лента переносит их вовнутрь

См. ЭКСПЕРИМЕНТ Эквипотенциальность проводника Распределение зарядов Электростатическая защита

5.2. Метод электростатических изображений Точечный заряд +q находится на расстоянии h

5.3. Конденсаторы 5.3.1. Электрическая емкость. При сообщении проводнику заряда, на его

Пример 1. Емкость C уединенной проводящей сферы радиуса R.1.Найдем с помощью

Пример 2. Энергия заряженной уединенной проводящей сферы.1й способ.поверхность сферы является эквипотенциальной