>>Fizyka: napięcie pole elektryczne. Zasada superpozycji pól

Nie wystarczy stwierdzić, że pole elektryczne istnieje. Konieczne jest wprowadzenie ilościowej charakterystyki pola. Następnie pola elektryczne można ze sobą porównywać i kontynuować badania ich właściwości.
Pole elektryczne jest wykrywane przez siły działające na ładunek. Można argumentować, że wiemy wszystko, czego potrzebujemy o polu, jeśli znamy siłę działającą na dowolny ładunek w dowolnym punkcie pola.
Dlatego konieczne jest wprowadzenie charakterystyki pola, której znajomość pozwoli nam wyznaczyć tę siłę.
Jeśli na przemian umieścisz małe naładowane ciała w tym samym punkcie pola i zmierzysz działające siły, przekonasz się, że siła działająca na ładunek z pola jest wprost proporcjonalna do tego ładunku. Rzeczywiście, niech pole zostanie utworzone przez ładunek punktowy q 1. Zgodnie z prawem Coulomba (14.2) dotyczącym ładunku q 2 istnieje siła proporcjonalna do ładunku q 2. Zatem stosunek siły działającej na umieszczony w nim przedmiot ten punktładunek pola, to ładunek dla każdego punktu pola nie zależy od ładunku i można go uznać za cechę pola. Ta cecha nazywana jest natężeniem pola elektrycznego. Podobnie jak siła, siła pola jest wielkość wektorowa; jest to oznaczone literą . Jeśli ładunek umieszczony w polu jest oznaczony przez Q zamiast q 2, wówczas napięcie będzie równe:

Natężenie pola w danym punkcie jest równe stosunkowi siły, z jaką pole działa na ładunek punktowy umieszczony w tym punkcie, do tego ładunku.
Stąd siła działająca na ładunek Q od strony pola elektrycznego jest równa:

Kierunek wektora pokrywa się z kierunkiem siły działającej na ładunek dodatni i jest przeciwny do kierunku siły działającej na ładunek ujemny.
Natężenie pola ładunku punktowego. Znajdźmy natężenie pola elektrycznego wytworzonego przez ładunek punktowy q 0. Zgodnie z prawem Coulomba ładunek ten będzie działał na ładunek dodatni Q z siłą równą

Moduł natężenia pola ładunku punktowego q 0 na odległość R jest równe:

Wektor natężenia w dowolnym punkcie pola elektrycznego jest skierowany wzdłuż linii prostej łączącej ten punkt z ładunkiem ( Ryc.14.7) i pokrywa się z siłą działającą na punktowy ładunek dodatni umieszczony w danym punkcie.

Zasada superpozycji pól. Jeżeli na ciało działa kilka sił, to zgodnie z prawami mechaniki powstała siła jest równa sumie geometrycznej tych sił:

Na ładunki elektryczne działają siły pola elektrycznego. Jeżeli przy przyłożeniu pól z kilku ładunków pola te nie oddziałują na siebie, to wypadkowa siła ze wszystkich pól musi być równa suma geometryczna sił z każdego pola. Doświadczenie pokazuje, że dokładnie tak dzieje się w rzeczywistości. Oznacza to, że natężenia pola sumują się geometrycznie.
jeśli w danym punkcie przestrzeni różne naładowane cząstki tworzą pola elektryczne o określonej sile itd., to wynikowe natężenie pola w tym punkcie jest równe sumie sił tych pól:

Co więcej, natężenie pola wytworzonego przez pojedynczy ładunek jest określane tak, jak gdyby pole nie tworzyło innych ładunków.
Dzięki zasadzie superpozycji, aby wyznaczyć natężenie pola układu naładowanych cząstek w dowolnym punkcie, wystarczy znać wyrażenie (14.9) na natężenie pola ładunku punktowego. Rysunek 14.8 pokazuje, jak wyznaczane jest natężenie pola w danym punkcie A, utworzone przez dwa ładunki punktowe q 1 I q 2 , q 1 > q 2

Wprowadzenie pola elektrycznego pozwala podzielić problem obliczania sił oddziaływania naładowanych cząstek na dwie części. Najpierw oblicza się natężenie pola wytworzonego przez ładunki, a następnie określa się siły na podstawie znanej siły. Taki podział problemu na części zwykle ułatwia obliczenia sił.

???
1. Jak nazywa się natężenie pola elektrycznego?
2. Jakie jest natężenie pola ładunku punktowego?
3. Jak kierowane jest natężenie pola ładunkowego q 0, jeśli q 0>0 ? Jeśli q 0<0 ?
4. Jak sformułowana jest zasada superpozycji pól?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fizyka 10. klasa

Treść lekcji notatki z lekcji ramka wspomagająca prezentację lekcji metody przyspieszania technologie interaktywne Ćwiczyć zadania i ćwiczenia autotest warsztaty, szkolenia, case'y, zadania prace domowe dyskusja pytania retoryczne pytania uczniów Ilustracje pliki audio, wideo i multimedia fotografie, obrazy, grafiki, tabele, diagramy, humor, anegdoty, dowcipy, komiksy, przypowieści, powiedzenia, krzyżówki, cytaty Dodatki streszczenia artykuły sztuczki dla ciekawskich szopki podręczniki podstawowy i dodatkowy słownik terminów inne Udoskonalanie podręczników i lekcjipoprawianie błędów w podręczniku aktualizacja fragmentu podręcznika, elementy innowacji na lekcji, wymiana przestarzałej wiedzy na nową Tylko dla nauczycieli doskonałe lekcje plan kalendarza na rok; zalecenia metodologiczne; programy dyskusji; Zintegrowane Lekcje

Jeżeli masz uwagi lub sugestie dotyczące tej lekcji,

Od dawna ustalono, że ładunki elektryczne nie wpływają na siebie bezpośrednio. W przestrzeni otaczającej wszystkie naładowane ciała obserwuje się działanie pola elektrycznego. Zatem interakcja zachodzi pomiędzy polami zlokalizowanymi wokół ładunków. Każde pole ma określoną siłę, z jaką oddziałuje na ładunek. Ta umiejętność jest główną cechą każdego.

Wyznaczanie parametrów pola elektrycznego

Badanie pola elektrycznego znajdującego się wokół naładowanego obiektu odbywa się za pomocą tzw. ładunku próbnego. Z reguły jest to ładunek punktowy, którego wielkość jest bardzo niewielka i nie może w żaden zauważalny sposób wpłynąć na badany ładunek główny.

Aby dokładniej określić parametry ilościowe pola elektrycznego, ustalono specjalną wartość. Ta charakterystyka mocy jest nazywana w formie natężenia pola elektrycznego.

Natężenie pola jest stabilną wielkością fizyczną. Jego wartość jest równa stosunkowi natężenia pola działającego na dodatni ładunek próbny znajdujący się w określonym punkcie przestrzeni do wartości tego ładunku próbnego.

Wektor napięcia - główna cecha

Główną cechą natężenia jest wektor natężenia pola elektrycznego. Zatem ta cecha jest wektorową wielkością fizyczną. W dowolnym punkcie przestrzennym wektor napięcia jest skierowany w tym samym kierunku, co wywierana siła wpływ na dodatni ładunek testowy. Ładunki stałe, które nie zmieniają się w czasie, mają elektrostatyczne pole elektryczne.

W przypadku badania pola elektrycznego wytworzonego przez kilka naładowanych ciał jednocześnie, jego całkowita siła będzie się składać z geometrycznej sumy sił każdego naładowanego ciała działających na ładunek testowy.

W konsekwencji wektor natężenia pola elektrycznego składa się z całkowitej sumy wektorów natężenia wszystkich pól wytwarzanych przez poszczególne ładunki w każdym punkcie.

Linie pola elektrycznego reprezentują jego wizualną reprezentację graficzną. Wektor napięcia w każdym punkcie jest skierowany w stronę stycznej, znajdującej się w stosunku do linii siły. Ilość linie energetyczne są proporcjonalne do wielkości wektora natężenia pola elektrycznego.

Przepływ wektora napięcia

Siły działające na odległość nazywane są czasami siłami polowymi. Jeśli naładujesz obiekt, utworzy się pole elektryczne– obszar o zmienionej charakterystyce wokół niego. Dowolny ładunek, który dostanie się do strefy pola elektrycznego, zostanie poddany działaniu jego sił. Na siły te wpływa stopień naładowania obiektu i odległość od niego.

Png?.png 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/1-210x140..png 726w" size="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Pomiar napięcia EF

Siły i ładunki

Załóżmy, że istnieje początkowy ładunek elektryczny Q, który wytwarza pole elektryczne. Siłę tego pola mierzy się ładunkiem elektrycznym w bezpośrednim sąsiedztwie. Ten ładunek elektryczny nazywany jest ładunkiem próbnym, ponieważ służy jako ładunek próbny przy określaniu napięcia i jest zbyt mały, aby wpłynąć na generowany porażenie prądem.

Kontrolny ładunek elektryczny będzie nazywany q i będzie miał pewną wartość ilościową. Po umieszczeniu w polu elektrycznym działają na niego siły przyciągające lub odpychające F.

Jako wzór na natężenie pola elektrycznego, oznaczony literą łacińskąmi, służy jako zapis matematyczny:

Siłę mierzy się w niutonach (N), ładunek w kulombach (C). Odpowiednio, jednostką napięcia jest N/C.

Inną jednostką często stosowaną w praktyce dla jednorodnego EP jest V/m. Jest to konsekwencja wzoru:

Oznacza to, że E zależy od napięcia elektrycznego (różnicy potencjałów między jego dwoma punktami) i odległości.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-9-768x474..jpg 120w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/ 03/2-9.jpg 960w" size="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Napięcie elektryczne

Czy napięcie zależy od ilościowej wartości ładunku elektrycznego? Ze wzoru widać, że wzrost q pociąga za sobą zmniejszenie E. Jednak zgodnie z prawem Coulomba większy ładunek oznacza także większą siłę elektryczną. Na przykład dwukrotny wzrost ładunku elektrycznego spowoduje dwukrotny wzrost F. Dlatego nie będzie zmiany napięcia.

Ważny! Nie wpływa na napięcie EP wskaźnik ilościowy opłata próbna.

Jak skierowany jest wektor pola elektrycznego?

W przypadku wielkości wektorowej koniecznie stosuje się dwie cechy: wartość ilościową i kierunek. Na ładunek początkowy działa siła skierowana w jego stronę lub w przeciwnym kierunku. O wyborze niezawodnego kierunku decyduje znak ładowania. Aby rozstrzygnąć pytanie, w którą stronę skierowane są linie naprężenia, przyjęto kierunek siły F działającej na dodatni ładunek elektryczny.

Ważny! Linie natężenia pola utworzone przez ładunek elektryczny są skierowane od ładunku ze znakiem „plus” do ładunku ze znakiem „minus”. Jeśli wyobrazisz sobie dowolny dodatni ładunek początkowy, wówczas linie wyjdą z niego we wszystkich kierunkach. Przeciwnie, w przypadku ładunku ujemnego obserwuje się wejście linii pola ze wszystkich otaczających go stron.

Wizualne przedstawienie wielkości wektorowych EF odbywa się za pomocą linii energetycznych. Symulowana próbka ES może składać się z nieskończonej liczby linii, które są ułożone według pewnych zasad dających maksimum więcej informacji na temat charakteru PE.

Gif?.gif 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/3-768x576.gif 768w" size="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Linie i wektory napięcia ED

Zasady rysowania linii energetycznych:

1. Ładunki elektryczne o większej wartości mają najsilniejsze pole elektryczne. Na schemacie można to pokazać poprzez zwiększenie częstotliwości linii;
2. W obszarach połączonych z powierzchnią obiektu linie są zawsze do niej prostopadłe. Na powierzchni obiektów regularnych i nieregularny kształt nigdy nie jest do niego równoległa siła elektryczna. Gdyby taka siła istniała, nadmiar ładunku na powierzchni zacząłby się poruszać, a a Elektryczność wewnątrz obiektu, co nigdy nie ma miejsca w przypadku elektryczności statycznej;
3. Opuszczając powierzchnię obiektu, siła może zmienić kierunek pod wpływem wiązek elektronów innych ładunków;
4. Linie elektryczne nie mogą się krzyżować. Jeśli przecinają się w jakimś punkcie przestrzeni, to w tym miejscu powinny znajdować się dwa EP z własnym, indywidualnym kierunkiem. Jest to warunek niemożliwy, gdyż każde miejsce EP ma swoje napięcie i kierunek z nim związany.

Linie zasilające kondensatora będą przebiegać prostopadle do płytek, ale staną się wypukłe na krawędziach. Wskazuje to na naruszenie jednolitości PE.

Biorąc pod uwagę warunek dodatniego ładunku elektrycznego, możemy wyznaczyć kierunek wektora natężenia pola elektrycznego. Wektor ten jest skierowany w stronę siły działającej na ładunek elektryczny ze znakiem plus. W sytuacji, gdy porażenie prądem powstaje przez kilka ładunków elektrycznych, wektor wyznacza się w wyniku sumowania geometrycznego wszystkich sił, na które narażony jest ładunek próbny.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/4-9.jpg 750w" size="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Konstrukcja powstałego wektora napięcia

Jednocześnie przez linie natężenia pola elektrycznego rozumie się zbiór linii w obszarze działania pola elektrycznego, stycznych do których wektory E będą w dowolnym dowolnym punkcie.

Jeżeli dwa lub więcej ładunków spowoduje porażenie prądem, wokół ich konfiguracji pojawią się linie. Takie konstrukcje są uciążliwe i są wykonywane przy użyciu Grafika komputerowa. Przy rozwiązywaniu problemów praktycznych wykorzystuje się otrzymany wektor natężenia pola elektrycznego dla danych punktów.

prawo Coulomba

Prawo Coulomba definiuje siłę elektryczną:

F = (K x q x Q)/r², gdzie:

• F – siła elektryczna skierowana wzdłuż linii pomiędzy dwoma ładunkami elektrycznymi;
• K – stała proporcjonalności;
• q i Q – wartości ilościowe ładunków (C);
• r jest odległością między nimi.

Stałą proporcjonalność wynika z zależności:

K = 1/(4π x ε).

Wartość tej stałej zależy od ośrodka, w którym znajdują się ładunki (stała dielektryczna).

Wtedy F =1/(4π x ε) x (q x Q)/r².

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/5-4.jpg 640w" size="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

prawo Coulomba

Prawo obowiązuje w środowisko naturalne. Do obliczeń teoretycznych początkowo zakłada się, że w środku znajdują się ładunki elektryczne wolna przestrzeń(próżnia). Wtedy wartość ε = 8,85 x 10 (do potęgi -12), a K = 1/(4π x ε) = 9 x 10 (do potęgi 9).

Ważny! Wzory opisujące sytuacje, w których występuje symetria sferyczna (w większości przypadków) obejmują 4π. Jeśli występuje symetria cylindryczna, pojawia się 2π.

Aby obliczyć moduł naprężenia, należy zastąpić matematyczne wyrażenie prawa Coulomba wzorem na E:

E = F/q = 1/(4π x ε) x (q x Q)/(r² x q) = 1/(4π x ε) x Q/r²,

gdzie Q jest ładunkiem początkowym tworzącym wiązkę elektronów.

Aby wyznaczyć natężenie porażenia prądem elektrycznym w konkretnym punkcie, należy w tym miejscu umieścić ładunek próbny, określić odległość do niego i obliczyć E ze wzoru.

Prawa odwrotnych kwadratów

W formalnym przedstawieniu prawa Coulomba odległość między ładunkami elektrycznymi pojawia się w równaniu jako 1/r². Oznacza to, że zastosowanie prawa odwrotnych kwadratów będzie sprawiedliwe. Innym dobrze znanym takim prawem jest prawo grawitacji Newtona.

Naładowane ciała mogą oddziaływać na siebie bez kontaktu poprzez pole elektryczne. Pole wytwarzane przez stacjonarne cząstki elektryczne nazywa się elektrostatycznym.

Instrukcje

Jeśli w polu elektrycznym wytworzonym przez ładunek Q zostanie umieszczony inny ładunek Q0, wówczas będzie on na niego oddziaływał z określoną siłą. Cecha ta nazywana jest natężeniem pola elektrycznego E. Jest ona stosunkiem siły F, z jaką pole działa na dodatni ładunek elektryczny Q0 w pewnym punkcie przestrzeni, do wartości tego ładunku: E = F/Q0.

W zależności od konkretnego punktu przestrzeni wartość natężenia pola E może się zmieniać, co wyraża się wzorem E = E (x, y, z, t). Dlatego natężenie pola elektrycznego jest wektorową wielkością fizyczną.

Ponieważ natężenie pola zależy od siły działającej na ładunek punktowy, wektor natężenia pola elektrycznego E jest taki sam jak wektor siły F. Zgodnie z prawem Coulomba siła, z jaką oddziałują dwie naładowane cząstki w próżni, jest skierowana wzdłuż prostej linia łącząca te ładunki.

Michael Faraday zasugerował wizualne przedstawienie siły pola ładunek elektryczny za pomocą linek napinających. Linie te pokrywają się z wektorem napięcia we wszystkich punktach stycznych. Na rysunkach są one zwykle oznaczone strzałkami.

Jeśli pole elektryczne jest jednorodne, a jego wektor natężenia jest stały pod względem wielkości i kierunku, wówczas linie natężenia są do niego równoległe. Jeśli pole elektryczne jest wytwarzane przez ciało naładowane dodatnio, linie napięcia skierowane są od niego, a w przypadku cząstki naładowanej ujemnie, w jego stronę.

notatka

Wektor napięcia ma tylko jeden kierunek w każdym punkcie przestrzeni, zatem linie napięcia nigdy się nie przecinają.

5. Elektrostatyka

prawo Coulomba

1. Naładowane ciała oddziałują ze sobą. W przyrodzie występują dwa rodzaje ładunków, umownie nazywa się je dodatnimi i ujemnymi. Ładunki tego samego znaku (podobnego) odpychają się, ładunki przeciwnych znaków (przeciwnego) przyciągają. Jednostką miary ładunków w SI jest kulomb (oznaczony jako

2. W naturze istnieje minimalna możliwa opłata. Jest on nazywany

elementarny i oznaczony przez e. Wartość numerycznaładunek elementarnye ≈ 1,6 · 10–19 C, Ładunek elektronuq elektron = –e, ładunek protonuq proton = +e. Wszystkie opłaty

V charakter są wielokrotnościami ładunku elementarnego.

3. W układzie izolowanym elektrycznie suma algebraiczna ładunków pozostaje niezmieniona. Na przykład, jeśli połączysz dwie identyczne metalowe kulki z ładunkami q 1 = 5 nC = 5 10–9 C i q 2 = – 1 nC, wówczas ładunki zostaną rozdzielone

między kulkami jednakowo, a ładunek q każdej z kul stanie się równy

q = (q 1 + q 2 ) / 2 = 2 nC.

4. Ładunek nazywa się ładunkiem punktowym, jeśli jego wymiary geometryczne są znacznie mniejsze niż odległości, na których bada się wpływ tego ładunku na inne ładunki.

5. Prawo Coulomba określa wielkość siły oddziaływania elektrycznego pomiędzy dwoma stacjonarnymi ładunkami punktowymi q 1 i q 2 położone w pewnej odległości od siebie (ryc. 1)

			k |q | |q
F = | F	|= |F

Tutaj F 12 to siła działająca na pierwszy ładunek z drugiego, F 21 to siła

działając na drugi ładunek z pierwszego, k ≈ 9 10 9 N m2 / Cl2 – stała w prawie Coulomba. W układzie SI stała ta jest zwykle zapisywana w postaci

k = 4 πε 1 0 ,

gdzie ε 0 ≈ 8,85 10 − 12 F/m jest stałą elektryczną.

6. Siła oddziaływania dwóch ładunków punktowych nie zależy od obecności innych naładowanych ciał w pobliżu tych ładunków. To stwierdzenie nazywa się zasadą superpozycji.

Wektor natężenia pola elektrycznego

1. Umieść ładunek punktowy q w pobliżu nieruchomego naładowanego ciała (lub kilku ciał). Założymy, że wielkość ładunku q jest na tyle mała, że ​​nie powoduje przemieszczania się ładunków w innych ciałach (ładunek taki nazywa się ładunkiem próbnym).

Od strony naładowanego ciała na nieruchomy ładunek próbny q działa siła F. Zgodnie z prawem Coulomba i zasadą superpozycji siła F będzie proporcjonalna do ilości ładunku q. Oznacza to, że jeśli wielkość ładunku próbnego zostanie zwiększona na przykład 2 razy, wówczas wielkość siły F również wzrośnie 2 razy, jeśli znak ładunku q zostanie zmieniony na przeciwny, to siła zmieni kierunek na przeciwny. Proporcjonalność tę można wyrazić wzorem

F = qE.

Wektor E nazywany jest wektorem natężenia pola elektrycznego. Wektor ten zależy od rozkładu ładunków w ciałach wytwarzających pole elektryczne i

od położenia punktu, w którym wyznacza się wektor E we wskazany sposób. Można powiedzieć, że wektor natężenia pola elektrycznego jest równy sile działającej na jednostkowy ładunek dodatni umieszczony w danym punkcie przestrzeni.

Definicję E G = F G /q można uogólnić na przypadek pól zmiennych (zależnych od czasu).

2. Obliczmy wektor natężenia pola elektrycznego wytworzonego przez nieruchomy ładunek punktowy Q. Wybierzmy jakiś punkt A położony w pewnej odległości od ładunku punktowego Q. Aby wyznaczyć wektor napięcia w tym punkcie, umieśćmy w nim w myślach dodatni ładunek próbnyq. NA

ładunek próbny od strony ładunku punktowego Q, będzie działać siła przyciągania lub odpychania w zależności od znaku ładunku Q. Wielkość tej siły jest równa

F = k| Pytanie| Q. r2

W konsekwencji wielkość wektora natężenia pola elektrycznego wytworzonego przez nieruchomy ładunek punktowy Q w punkcie A, odległym od niego w odległości r, jest równa

mi = k r |Q 2 |.

Wektor E G zaczyna się w punkcie A i jest skierowany od ładunku Q, jeśli Q > 0, i w kierunku ładunku Q,

jeśli Q< 0 .

3. Jeśli pole elektryczne jest tworzone przez kilka ładunków punktowych, wówczas wektor natężenia w dowolnym punkcie można znaleźć, korzystając z zasady superpozycji pola.

4. Linia siły (linia wektorowa E) nazywa się linią geometryczną,

styczna, do której w każdym punkcie pokrywa się z wektorem E w tym punkcie.

Inaczej mówiąc, wektor E jest w każdym z jego punktów skierowany stycznie do linii pola. Przypisuje się kierunek linii siły - wzdłuż wektora E. Obraz linii energetycznych jest reprezentacją wizualną pole siłowe, daje wyobrażenie o strukturze przestrzennej pola, jego źródłach oraz pozwala określić kierunek wektora natężenia w dowolnym punkcie.

5. Jednorodne pole elektryczne jest polem, wektorem z czego E jest takie samo (pod względem wielkości i kierunku) we wszystkich punktach. Takie pole tworzy np. równomiernie naładowana płaszczyzna w punktach położonych dość blisko tej płaszczyzny.

6. Pole równomiernie naładowanej piłki nad powierzchnią wewnątrz kuli wynosi zero,

A na zewnątrz piłki pokrywa się z polem ładunku punktowego Q znajdujące się w środku kuli:

k | Pytanie|		dla r > R
mi = r2
		o godz< R

gdzie Q jest ładunkiem piłki, R jest jej promieniem, r jest odległością od środka kuli do punktu, w

który definiuje wektor E.

7. W dielektrykach pole jest osłabione. Na przykład ładunek punktowy lub kula równomiernie naładowana na powierzchni, zanurzona w oleju, wytwarza pole elektryczne

mi = k ε |r Q 2 |,

gdzie r jest odległością od ładunku punktowego lub środka kuli do punktu, w którym wyznaczany jest wektor napięcia, ε jest stałą dielektryczną oleju. Stała dielektryczna zależy od właściwości substancji. Stała dielektryczna próżni wynosi ε = 1, stała dielektryczna powietrza jest bardzo bliska jedności (przy rozwiązywaniu problemów zwykle uważa się ją za równą 1), dla innych dielektryków gazowych, ciekłych i stałych ε > 1.

8. Gdy ładunki są w równowadze (jeżeli nie ma uporządkowanego ruchu), natężenie pola elektrycznego wewnątrz przewodników wynosi zero.

Praca w polu elektrycznym. Potencjalna różnica.

1. Pole ładunków stacjonarnych (pole elektrostatyczne) ma ważna własność: praca sił pola elektrostatycznego potrzebnych do przemieszczenia ładunku próbnego z punktu 1 do punktu 2 nie zależy od kształtu trajektorii, lecz jest określona jedynie przez położenie punktów początkowego i końcowego. Pola posiadające tę właściwość nazywane są konserwatywnymi. Właściwość konserwatyzmu pozwala wyznaczyć tzw. różnicę potencjałów dla dowolnych dwóch punktów pola.

Potencjalna różnicaϕ 1 −ϕ 2 w punktach 1 i 2 jest równe stosunkowi pracy sił pola A 12 potrzebnych do przeniesienia ładunku próbnego q z punktu 1 do punktu 2 do wielkości tego ładunku:

ϕ1 - ϕ2 =A q 12.

Ta definicja różnicy potencjałów ma sens tylko dlatego, że praca nie zależy od kształtu trajektorii, ale jest określona przez położenie punktów początkowego i końcowego trajektorii. W układzie SI różnicę potencjałów mierzy się w woltach: 1 V = J/C.

Kondensatory

1. Kondensator składa się z dwóch przewodników (nazywanych płytkami), oddzielonych od siebie warstwą dielektryka (ryc. 2) i ładunku jednego

zwrócony w stronę Q, a drugi –Q. Ładunek na płycie dodatniej Q nazywany jest ładunkiem na kondensatorze.

2. Można wykazać, że różnica potencjałów ϕ 1 −ϕ 2 pomiędzy płytkami jest proporcjonalna do ilości ładunku Q, czyli jeśli np. ładunek Q zwiększymy 2 razy, to różnica potencjałów wzrośnie o 2 czasy.

ε S

ϕ 1ϕ 2

Ryc.2 Ryc.3

Proporcjonalność tę można wyrazić wzorem

Q = C (ϕ 1 -ϕ 2),

gdzie C jest współczynnikiem proporcjonalności między ładunkiem kondensatora a różnicą potencjałów między jego płytkami. Współczynnik ten nazywany jest pojemnością elektryczną lub po prostu pojemnością kondensatora. Pojemność zależy od wymiary geometryczne pokrycia, ich względne położenie i stała dielektryczna ośrodka. Różnica potencjałów nazywana jest również napięciem i jest oznaczana przez U. Następnie

Q = CU.

3. Kondensator płaski składa się z dwóch płaskich płytek przewodzących, umieszczonych równolegle do siebie w odległości d (ryc. 3). Zakłada się, że odległość ta jest niewielka w porównaniu do wymiary liniowe talerze Powierzchnia każdej płytki (płyty kondensatora) wynosi S, ładunek jednej płyty to Q, a ładunek drugiej to Q.

W pewnej odległości od krawędzi pole między płytami można uznać za jednolite. Dlatego ϕ 1 -ϕ 2 = Ed, lub

U = wyd.

Pojemność kondensatora płytkowego równoległego określa się ze wzoru

do = εε re 0 S ,

gdzie ε 0 =8,85 · 10–12 F/m to stała elektryczna, ε to stała dielektryczna dielektryka pomiędzy płytami. Z tego wzoru widać, że aby uzyskać duży kondensator, należy zwiększyć powierzchnię płytek i zmniejszyć odległość między nimi. Obecność dielektryka o wysokiej stałej dielektrycznej ε pomiędzy płytami również prowadzi do wzrostu pojemności. Rolą dielektryka pomiędzy płytami jest nie tylko zwiększenie stałej dielektrycznej. Ważne jest również, aby dobre dielektryki wytrzymywały wysokie pola elektryczne, nie powodując przebić między płytami.

W układzie SI pojemność mierzy się w faradach. Miałby to kondensator płytkowy równoległy o pojemności jednego farada gigantyczny rozmiar. Powierzchnia każdej płyty wynosiłaby około 100 km2 przy odległości między nimi 1 mm. Kondensatory są szeroko stosowane w technologii, w szczególności do przechowywania ładunków.

4. Jeśli płytki naładowanego kondensatora zostaną zwarte z metalowym przewodnikiem, w przewodniku pojawi się prąd elektryczny, a kondensator zostanie rozładowany. Gdy w przewodniku płynie prąd, wydziela się pewna ilość ciepła, co oznacza, że ​​naładowany kondensator ma energię. Można wykazać, że energię dowolnego naładowanego kondensatora (niekoniecznie płaskiego) określa wzór

W = 1 2 CU2 .

Biorąc pod uwagę, że Q = CU, wzór na energię można również przepisać w postaci

W = Q2 =QU.