Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Лекция 4

проводнике. Снятие заряда
6. Конденсаторы

делятся на три основных класса:
проводники (нос-ли тока– свободные е) хорошо проводят эл. ток;
Удельное сопротивление
диэлектрики (все е в атомах связаны, нос-лей тока нет), изоляторы;
полупроводники (малое кол-во нос. тока – эл-нов и дырок), плохо проводят эл. ток.

то есть способных перемещаться на значительные расстояния (превосходящие расстояния между атомами), нет.

Смещение электрических зарядов в-ва под действием электрического поля наз-ся поляризацией

Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную,
ионную
и ориентационную (дипольную)

диполи с зарядами +q и –q.

pi- дипольный момент молекулы

(Н2, N2, CO2)

(NaCl)

Полярные молекулы

(СО, Н2О)

Кристаллические диэл-ки

каждая молекула или атом образует электрический момент Р

Внутри диэл-ка эл. q диполей компенсируют друг друга. Но на внешних повер-ях диэл-ка, прилегающих к электродам, появляются q противоположного знака (поверхностно связанные заряды)

(хи) – диэлектрическая восприимчивость

Вода: χ =80, стекло χ = 5

Р

Е

Вода

Стекло

Поляризованность Р диэл-ка равна пов-ой плотности его связанных зарядов.

раз электростатическое поле внутри диэлектрика меньше, чем в вакууме:

Результирующая электростатического поля в диэлектрике равно внешнему полю, деленному на диэлектрическую проницаемость среды ε:

xар-ет эл. св-ва диэлектрика

двух сред (ε1 и ε2 )

На границах раздела сред силовые линии поля Е измен-ся скачком.

В диэл-кой среде ↓ E, FK, φ.

отсутствии внешнего электр. поля

Мозаика из доменов, при Е=0

При Е > 0

Домены увеличиваются в объеме и выстраиваются по полю

При ↑ Е

Происходит поляризация сегн-ка вплоть до насыщения РS (один огромный домен по полю)

сегн-ка

εmax =103-105

Cегн-ки: кварц, титанат бария

При температуре Т≥TC (точка Кюри) поляризация сегн-ков пропадает.

Рr

ЕС

электрические конденсаторы, ограничители предельно допустимого тока, позисторы, запоминающие устройства;

размеров пластинки диэлектрика при подаче на нее напряжения

для излучения звука, ультразвука

При поляризации крист. диэл-ки изм-ют размеры

(пъезоэффект)

Зажигалки, электророзжиг

нагревании или охлаждении

При нагревании один конец диэлектрика заряжается положительно, а при охлаждении наоборот

Изменение сущ-ей поляризации при изменении температуры кристаллов

Турмалинянтарь

детекторы ИК-излучения, болометры (датчики инфракрасного излучения)

проводник явл-ся эл. нейтральным

При внесении Ме проводника во внешнее электрост. поле, электроны проводимости перемещаются (перераспределяются) до тех пор, пока всюду внутри проводника поле электронов проводимости и положительных ионов не скомпенсирует внешнее поле.

Как это происходит?

пр-ка Е = Е0 - Е/ = 0

Принцип электростат. экранирования:

Объект помещают в объем, закрытый проводящей пов-тью или сеткой и

φ на пов-сти пр-ка равны

Пов-сть пр-ка - эквипотенц-я пов-сть

Силов. линии Е ⊥ пов-сти пр-ка

Внесенный в эл. нейтр. пр-к заряд q, из-за кул. сил отталкивания будет на пов-сти пр-ка с

S

Е0= 0

r- радиус кривизны пов-сти.

Е у острия так велика, что вблизи него ионизация воздуха и стекание q

физическая величина, численно равна заряду, который необходимо сообщить проводнику для того, чтобы изменить его потенциал на единицу

[Ф] = [Кл] / [В]

1 Ф – ёмкость шара в воздухе R =9·106 м

Это больш. вел-на, поэтому мкФ, нФ, пкФ

Уединенные пр-ки имеют малую С. Велика С Конденсаторов (два проводника (обкладки), между которыми наход-ся диэл-к (ε)).

такова, что внешние окружающие конденсатор тела не оказывают влияние на электроемкость конденсатора. Это будет выполняться, если электрост. поле будет сосредоточено внутри конденсатора между обкладками

Установить соответствие.

после чего поле Е выключили. Будут ли заряжены половинки?

объемной плотностью заряда ρ до точки b (см. рис.) с учетом диэлектр-кой проницаемости сред.

Тест 2

b

<

Внутри шара Е~ r.

Вне шара Е~1/r2.

Е=Е0/ε

тока

φ1

Е

φ2

I

Fк

За направление тока I принимают направл-е движ. +q.

+q

-е

Электростат. поле

Электрическ. ток

Наличие зарядов

Неподвижные заряды

Свободные заряды

Электростат. поле

– физ. величина, равная q, протекающему через попереч. сечение пр-ка за единицу времени

И через ΔS пр-ка течёт заряд q

if I с течением t измен-ся, то:

мгновенное знач. силы тока

[I ] = Кл/с = [А] (Ампер)

величине и направлению

t

1

2

3

При силе тока 1А через ΔS пров-ка за 1 с переносится заряд q, равный 1 Кл

⊥ направл. тока

Вектор направлен вдоль направления тока

dS

Сила тока опред-ся как поток вектора через S, где j=j(s).

S

Плотность тока, вектор

e -заряд, n – концентрация эл-нов, - средняя скорость их направленного движения

которых движение
(полож-х) q происходит в направлении возрастания потенциала, против сил эл. поля

Перемещение q на этих участках возможно лишь с
помощью сил неэлектрического происхождения (сторонних сил):химические процессы, диффузия
носителей заряда, вихревые электрические поля

Аналогия: насос, качающий воду в водонапорную башню, действует за счет негравитационных сил
(электромотор)

цепи, наз-ся электродвижущей силой
(Э.Д.С.), действующей в цепи:

Стороннюю силу, действующую на заряд, можно представить в виде:

Ест – напряженность поля сторонних сил.

электрода – графит.
Во время процесса заряда ионы лития извлекаются из структуры LiMO2 и, проходя через электролит, внедряются в межслоевое пространство графита; в процессе разряда перенос ионов лития идет в обратном направлении. Количество сохраняемой энергии ограничено свойствами материала полож. электрода. Для LiCoO2 характерны величины удельной электроемкости 130-150 мАч/г.

кулоновских и сторонних сил на участке цепи (1 – 2), наз-ся напряжением на этом участке U12

переноса заряда через сопротивление

r

Закон Ома, 1826 г

r – внутреннее сопр. источн. тока.

и обратно ~ его площади S

Последовательное соединение проводников –конец одного проводника соединен с началом другого проводника

Параллельное соединение – соединение в котором
- начала проводников соединены вместе
- концы проводников соединены вместе

I1= I2
R1 +R2 =R

Законы последовательного соединения

I2
1/R = 1/R1 + 1/R2

Законы параллельного соединения проводников

Параллельное соединение

εn

rБ = r1 + r2 +..+ rn

Паралл. соед-е.

Соединяют источники с одинаковыми ξ

ε

εБ =ε

Если r одинаковые:

I ↑

= C2U

q = q1 +q2

q = UC = U(C1 + C2)

C = C1 + C2 +…+ Cn

Ёмкость С батареи // соединенных конденсаторов равна сумме их Сi

Ёмкость батареи С

q = C·U

Б. из послед. К

С

При вычислении С батареи послед. соедин-х К суммиру-ются величины, обратные их С

временем:

Закон Джоуля – Ленца в интегральной форме

Выделенная теплота равна работе сил эл. поля

Мощность тока

Нагреваельные приборы, печи, роклетницы, грили

энергии, которая ежесекундно выделяется во всех сопротивлениях цепи

N – полная, NR- полезная, выделяемая на по-лезной нагрузке, Nr -теряемая на r, мощности.

падение напряж. на полезной нагрузке R, ε– ЭДС, r –внутр. сопр-е источника тока

Максимальный кпд = 50%, когда внешнее сопротивление R равно внутреннему сопротивлению r источника тока

= 0

Ток КЗ (IКЗ):

Для источн. тока с малым r токи КЗ велики, что может быть для них опасно.

Пример, для автомоб-х аккумуляторов r ≈ 0,03 Ом. IКЗ = 12/0.03 = 400 А. Опасно!

от значения R, подключенного к источнику пост. тока. ЭДС источника и его внутреннее сопротивление соответственно равны …

Тест 2

12 В, 1 Ом 2) 9 В, 0,5 Ом 3) 24 В, 3 Ом 4) 18 В, 2 Ом

24 В, 3 Ом 4) 18 В, 2 Ом

r = 1 Ом

ξ = 6 + 6 = 12 В

= 0,96 В/м,

= ?

?