Провідники в електричному полі (явище)

Визначення. Провідники - це речовини, які проводять електричний струм. Найчастіше як провідники використовують метали.

Рисунок 11.9 Екранований телевізійний кабель

1. Приклади застосування явища. Явище використовують для захисту чутливих до електричних полів пристроїв. Щоб захистити прилади від електричних полів, їх поміщають всередину замкнутих металевих ящиків - екранів. Частіше екранують не самий чутливий для електричних полів прилад, а джерело електричного поля (рисунок 11.8, 11.9).

2. Визначення явища. При рівновазі зарядів ні в якому місці усередині провідника не може бути надлишкових зарядів – усі вони розподілені по поверхні провідника з деякою густиною σ.

3. Умови протікання явища.

Умови рівноваги зарядів у провіднику. Потенціал провідника.

Рівновага зарядів на провіднику спостерігається при виконанні двох умов:

1. Всередині провідника поле повинно бути відсутнє. E=0

Тобто потенціал усередині провідника повинен бути постійним.

Рисунок 11.10 Провідник в електричному полі.

2. Напруженість поля на поверхні провідника направлене вздовж нормалі до поверхні. – на поверхні провідника.

Отже, поверхня провідника при рівновазі зарядів є еквіпотенціальною.

4. Математичне опис явища.

. ; Е₁-Е₂=0. (Рисунок 35)

5. Пояснення явища. Явище пояснюється будовою провідника. В металах валентні електрони поводяться як молекули газу. Тобто. рухаються хаотично і з збільшенням температури швидкість їх руху зростає. Ядра провідника коливаються в вузлах кристалічної решітки металу. Якщо провідник не заряджений, то сумарний заряд всіх вільних електронів в провіднику дорівнює сумарному заряду всіх іонів металу.

При внесенні провідника в електричне поле (Рисунок 11.10) електрони рухаються проти напрямку силових ліній електричного поля. Утворюючи на кінцях провідника позитивні і негативні заряди. Цей рух електронів буде тривати до тих пір, поки електричне поле, утворене зарядами на краях провідника (Е₂), повністю не компенсує зовнішнє поле (Е₁).

Якщо величину зовнішнього поля збільшити, більше електронів переміститься на край провідника і внутрішнє поле знову компенсує зовнішнє. Таким чином, усередині провідника знаходиться в електростатичному полі напруженість завжди дорівнює нулю.

Це явище називають електростатичною індукцією або електризацією через вплив.

Визначення. Електростатичною індукцією називають явище перерозподілу електричних зарядів усередині провідника при внесенні його в електростатичне поле.

Рисунок 11.11 Розміщення зарядів у негативно зарядженій кулі.

Розглянемо інший випадок. Нехай маємо негативно заряджену кулю (рисунок 11.11). Тобто кулю має надлишок електронів. В результаті дії електричних сил надлишкові електрони розмістяться на зовнішній поверхні кулі. Геометрична сума напруженостей, отриманих від надлишкових електронів, в будь-якій точці провідника дорівнює нулю.

Густина заряду на поверхні провідника визначається кривизною поверхні r=1/R, де R – радіус кривизни. Густина заряду зростає зі збільшенням позитивної кривизни поверхні (опуклості) і зменшується при збільшенні негативної кривизни (вгнутості). В результаті цього явища на гострих виступах зарядженого провідника накопичується найбільша кількість зарядів (це можна перевірити дослідним шляхом). Тому напруженість електричного поля біля вістря найбільша і вона настільки велика, що в навколишньому повітрі починається іонізація молекул і з’являться вільні електрони, позитивні і негативні іони. Іони однакового заряду з вістрям будуть відштовхуватися від вістря, утворюючи течію повітря. Іони, протилежного з вістрям заряду, будуть притягатися до вістря, зменшуючи його заряд. Кажуть, заряд стікає з загострених предметів. Щоб позбутися стікання заряду, предмети, на яких накопичують великі заряди, заокруглюють.

 

Електроємність провідника. Конденсатори. Ємність конденсатора. Енергія системи зарядів.

Електроємність провідника

1. Електроємність - характеризує здатність провідника накопичувати електричний заряд. Вона залежить від форми, розмірів провідника, і його навколишнього середовища.

2. Визначення. Електроємність - це фізична величина, яка чисельно дорівнює відношенню заряду провідника q до його потенціалу φ.

3. Електроємність - це скалярна величина.

4. для кулі С = 4πεε₀r, де ε - діелектрична проникність навколишнього середовища вище, ε₀ - електрична постійна r - радіус кулі.

5. [C] = Ф (Фарад) Ф = Кл / В.

6. Визначення. Один Фарад - це електрична ємність провідника, при якій провідник накопичує заряд в 1 Кл, маючи потенціал 1В.

* 1 Ф - це дуже велика ємність, на практиці користуються мкФ (микрофарад) і пФ. (пикофарад)

1 мкФ = 10^-6 Ф; 1 пФ = 10^-12 Ф.

Рисунок 11.12 Схематичне позначення конденсатора

Конденсатор (прилад)

1. Конденсатор призначений для накопичення великих електричних зарядів.

2. Схематичне позначення (рисунок 11.12).

 

Рисунок 11.13 До пояснення принципу дії конденсатора.

3. Будова. Конденсатор складається з двох провідників що мають рівні по модулю і протилежні за знаком заряди. Якщо конденсатор складається з двох пластин, розділених між собою діелектриком, то його називають плоским конденсатором.

4. Принцип дії. Візьмемо 2 пластини, розділені діелектриком (рисунок 11.13). Якщо зарядити пластину 2 позитивним зарядом, то на пластині 1 заряди перерозподіляться (Рисунок 11.13 а). Якщо заземлити пластину 1 (Рисунок 11.13 б), то електрони з Землі компенсують позитивний заряд пластини 1. Внаслідок електричного притягання, що залишилися електричні заряди будуть розміщені на внутрішніх поверхнях пластин і електричне поле буде зосереджено всередині конденсатора.

Якщо збільшити заряд на пластині 2, то з Землі додається деяка кількість електронів на пластину 1. Причому електрони будуть додаватися, поки заряди пластини 1 і 2 цієї статті не вирівняються (по модулю).

* Збільшувати заряди на пластинах конденсатора нескінченно не можна, бо може статися пробій діелектрика, і конденсатор (якщо він не повітряний) вийде з ладу.

* Заряди на пластинах конденсатора завжди рівні за модулем і протилежні за знаком.

Ємність конденсатора

Ємність плоского конденсатора розраховують за формулами, де q - заряд, який має конденсатор, U - різниця потенціалів на конденсаторі ε - діелектрична проникність діелектрика конденсатора, ε₀ = 8,85∙10^-12 Н∙м²/Кл² - електрична постійна, S - площа перекриття однієї поверхні пластини конденсатора, d - відстань між пластинами конденсатора. З формули випливає: чим більше площа S, тим «вільніше» розмістяться на ній заряди, відштовхування між ними буде менше і кожна пластина зможе утримувати більший заряд. Чим більше відстань d між пластинами, тим слабкіше заряди на одній пластині будуть притягувати заряди на інший.

Звернемо також увагу на те, що С не залежить від q або U і, так як величина q пропорційна U.

 

З’єднання конденсаторів

Паралельне з’єднання	Послідовне з’єднання
С = С1 + С2 +...+ Сn U = U1 = U2 =...= Un q = q1 + q2 +...+ qn		U = U1 + U2 +...+ Un q1 = q2 =...= qn