Сила на полето между плочите. Силата на привличане между плочите на плосък кондензатор

Семестър 3. Лекция4.

Лекция 4. Електрическо поле на заредени проводници.

Енергията на електростатичното поле.

Поле близо до проводника. Капацитет на проводници и кондензатори. (Капацитети на плоски, цилиндрични и сферични кондензатори). Енергия на система от постоянни заряди. Енергията на зареден проводник, кондензатор. Плътност на енергията на електростатичното поле.

В електростатичната теория беше удобно да се определи свързаното електроенергия, зная. Нека помислим за отделните такси едно по едно, дори когато нашата система беше компилация от няколко такси, и ще се откажем от идеята за „действие от разстояние“. По същите причини бихме искали да дефинираме вариант на електрическа потенциална енергия за единица заряд, така че да можем да мислим за количеството потенциална енергия, което може да бъде придобито или загубено от един заряд, присъстващ в електрическо поле.

Електрическият потенциал се измерва в кулонови джаули, иначе известни като волтове. Всъщност често ще наричаме електрическия потенциал "напрежение", двете са синоними за нашите цели. Подобно на гравитационния потенциал, електрическият потенциал е скаларна величина. По същество това е мярка за промяната в електрическата потенциална енергия на единица заряд.

При въвеждане на проводник във външния електрическо полезарядите вътре в проводника започват да се движат под действието на сили от външното поле до достигане на равновесие. Това води до преразпределение на електрическия заряд вътре в проводника. Областите на проводника, преди това електрически неутрални, придобиват некомпенсиран електрически заряд. В резултат на това в проводника се появява (или, както се казва, индуцира) електрическо поле

. Условието за равновесие на електрическите заряди:

Това ни позволява да видим, че потенциалната разлика също има единици електрическо полена разстояние. Това има смисъл по определен начин, тъй като е достатъчно разликата в електрическия потенциал да премине през електрическо поле. Тъй като електрическото поле има единици нютони на висулка, можем да направим следното наблюдение.

Ако освободите положителен заряд, който спонтанно се ускорява в области с висок потенциал до нисък потенциал - положителните заряди се стремят към минималния електрически потенциал. За разлика от тях, отрицателните заряди търсят максимален електрически потенциал. Трябва да се работи с положителни заряди, за да се достигнат до по-голям потенциал, трябва да се работи с отрицателни заряди, за да се отведат в области с по-нисък потенциал.

,

тези. напрегнатост на полето вътре в проводника:

Следователно от равенството получаваме вътре в проводника. Следователно това условие е изпълнено и на границата на проводника. Тези. повърхността на проводника е еквипотенциален повърхност , Ето защо силовите линии на електрическото поле са перпендикулярни на повърхността на проводника във всяка точка .

За точковите товари електрическото поле се определя през пространството, с изключение на дясната страна на товара, и работи по същия начин като неговия електрически потенциал. Няма очевидно място за извикване на "null". Освен това не можем да свържем заземяващия проводник към един електрон. В края на краищата почти винаги потенциалът на точковия заряд се определя като нула на безкрайно разстояние от самия заряд. Това е наистина удобно, вярвате или не, и ясно показва, че единственият начин да се отървете от потенциала, дължащ се на точково натоварване, е да изгоните напълно товара.

зареден проводник .

Ако външен електрически заряд се придаде на отделен проводник, тогава условието за равновесие на зарядите отново води до условието:

,вътре в проводника.

От това следва, че всички външни заряди са разположени на повърхността на проводника, тъй като. напрегнатостта на полето вътре в проводника е нула и според теоремата на Гаус за всяка затворена повърхност вътре в проводника (включително външната повърхност на проводника):

Фигура 3 показва сравнение на електрическото поле с електрическия потенциал на точков товар като функция на разстоянието от товара. Имайте предвид: можете да измервате само разликите в електрическия потенциал. Една бърза бележка, за да изясним всяко объркване по-късно: когато говорим за точкови заряди, като електрони в електрически полета или атоми в кристал, често използваме по-удобната единица за енергия, електронволт. С течение на времето откриваме електронволта все по-често и това се оказва много удобно, когато сме заети с изчисляването на малък брой заряди.

.

Тъй като повърхността на проводника в този случай също е еквипотенциална, силовите линии на електрическото поле са насочени перпендикулярно на повърхността на проводника във всяка негова точка.

От теоремата на Гаус следва, че близо до повърхността на проводника

Големината на вектора на електрическото изместване е равна на повърхностната плътност на външните заряди.

Електрическият потенциал също се подчинява на принципа на суперпозицията, точно както електрическата сила. Общият електрически потенциал в даден момент, дължащ се на няколко точкови заряда, е само сумата от електрическите потенциали, дължащи се на отделните точкови заряди. Електрическият потенциал е скалар, не трябва да се тревожим за компонентите, електрическите потенциали са просто числото на техните приноси.

Както бихте очаквали от принципа на суперпозицията, потенциалът между два заряда е нула и става много голям близо до всяко натоварване, както и електрическото поле. Електричен потенциал в равнина, съдържаща електрически дипол. Скала за височина на електрически потенциал. Линиите представляват еквипотенциални вериги.

Зарядът върху повърхността на проводника се разпределя по такъв начин, че повърхностният потенциал остава постоянен. Това води до факта, че плътността на заряда на повърхността на проводника не е еднаква. Например, върху острите части на проводниците, плътността на заряда е по-голяма, отколкото във вдлъбнатините. В тази връзка възникват различни явления, например "изтичане на заряд". Ако проводникът е във въздуха, тогава йонизацията на въздуха възниква близо до върха, отнасяйки част от електрическия заряд - явление, наречено "електрически вятър".

По този начин работата върху заряда чрез електрическа сила е свързана с промяна в електрическата потенциална енергия на заряда. Комбинирайки тези два факта, можем лесно да свържем работата и потенциалната разлика. В обекта на електростатичната теория казахме, че за проводник в електростатично равновесие нетният заряд е само на повърхността на проводника. От друга страна казахме, че електрическото поле точно извън повърхността на проводника е перпендикулярно на повърхността и че полето вътре в проводника е нула.

Това също означава, че всички точки на повърхността на проводник, заредени в електростатично равновесие, са с еднакъв потенциал. Произволен драйвер, който носи положителен заряд. Уравнение 23 ни дава много общ резултат: няма работа за преместване на товар между две точки, които имат еднакъв електрически потенциал.

Електрически образен метод .

Ако еквипотенциалната повърхност се замени с проводяща и след това частта от полето, която тази повърхност отделя, се изхвърли, тогава моделът на полето в останалата част няма да се промени. Обратно, ако картината на полето се допълни с фиктивни заряди, така че проводящата повърхност да може да бъде заменена с еквипотенциална, тогава първоначалната картина на полето няма да се промени.

Тъй като електрическото поле и изместването винаги са перпендикулярни, не се извършва работа при движение по повърхността на проводник. Тъй като избраният път е напълно произволен, това означава, че той е верен за всеки две точки на повърхността. Заредени потенциали и драйвери.

Електрическият потенциал е постоянен на повърхността. Електрическият потенциал е постоянен във вътрешността и има същата стойност като стойността на повърхността. Не е необходима работа за преместване на товара отвътре към повърхността или между две точки на повърхността.

Пример.Намерете силата на привличане на точков заряд към безкрайна проводяща равнина . За да направите това, ще допълним картината с друг заряд от същия тип, но с противоположен знак, разположен симетрично по отношение на равнината. Тогава равнината ще съвпадне с еквипотенциалната повърхност, така че равнината може да бъде изхвърлена и да се намери силата на взаимодействие между зарядите: .

Разбира се, това важи само за идеалните шофьори. Ако са налице други дисипативни сили, това не е вярно и е необходима работа за преместване на товара при наличие на дисипативна сила. Електрическият аналог на триенето или вискозитета е съпротивлението.

Повърхност, в която всички точки са с еднакъв електрически потенциал, се нарича еквипотенциална повърхност. Потенциалната разлика между две точки на повърхността е нула, така че не е необходима работа за преместване на товар с постоянна скорост по еквипотенциална повърхност. Следователно повърхността на проводника е еквипотенциална повърхност. Еквипотенциалните повърхности имат проста връзка с полето: полето е перпендикулярно на еквипотенциалната повърхност във всички точки.

Енергията на зареден проводник .

Енергията на самотен зареден проводник се определя като енергията на система от заряди: . На проводника, така че енергията на самотен проводник:

.

На фиг. 10 показва еквипотенциалните повърхности и линиите на електрическото поле за единичен точков заряд, дипол и два еднакви заряда. Имайте предвид, че след като сте начертали линиите на електрическото поле, чертането на еквипотенциални повърхности е тривиално и обратно.

Линиите на електрическото поле са сини линии, а червените линии са еквипотенциални повърхности за един точков заряд, електрически дипол и два еднакви заряда. Как можем наистина да променим електрическия потенциал - най-общо ще го наречем интензитет - на един обект по отношение на друг? Зареждането чрез индукция или шофиране е по два начина, но малко тромаво. Устройство, известно като източник на напрежение, е елемент от веригата с два извода, в които се прилага постоянна потенциална разлика между тези два извода.

За система от заредени проводници: .

По-специално, за два проводника, имащи заряди q с еднаква величина, но различни по знак, енергията ще бъде равна на: .

Коментирайте . Големината на потенциалната разлика Наречен волтаж между телата.

Това, което е свързано към "отрицателния" извод на източника, ще има напрежение под "положителния" извод. Батериите са пример за източник на постоянно напрежение, а стенните контакти във вашия дом са друг пример за източник на напрежение. Идеалните източници на напрежение винаги са посочени в учебника, т.е. те осигуряват постоянна потенциална разлика. Реалните източници на напрежение винаги имат ограничения, предимно количеството енергия, което може да бъде генерирано.

Общ източник постоянно напрежение. Сега, когато знаем малко за напрежението и проводниците, се доближаваме до описанието на прости електрически вериги. Сега ще представим първия ни реален елемент на веригата, кондензатора. Кондензаторът е електронен компонент, който се използва за съхраняване на електрически заряд, той се използва по същество във всеки електрическа верига. Кондензаторите са гръбнакът на паметта с произволен достъп и флаш паметта и са критични за почти всяко захранване.

Опитът показва, че има линейна зависимост между заряда на отделен проводник и неговия потенциал: . Фактор на пропорционалност ОТНаречен коефициент на електрическа контейнери или електрически капацитет . Единицата за електрически капацитет е фарад (

).

Това е един от основните стълбове на електрониката. Фигура 12 показва типична конструкция на кондензатор - две метални пластини с малко количество специален материал в средата. Трудно е да се повярва, че сложни устройства като компютрите са базирани на толкова прост дизайн, но е истина.

Когато се използват във верига, пластините са свързани към положителните и отрицателните клеми на източник на напрежение, като например батерия. Натоварването на двете плочи е еднакво, но има противоположен знак. По принцип поставянето на две плочи при различни потенциали означава, че електроните искат да мигрират към плочата с най-висок потенциал и да напуснат плочата с по-нисък потенциал. Капацитетът на тази структура. Движението на заряда между плочите спира, когато потенциалната разлика между плочите съвпадне с потенциалната разлика на източника на напрежение.

Кондензатор се нарича система от два проводника, заредени с еднаква големина, но различни по знак заряди. Проводниците се наричат кондензаторни пластини .

Капацитетът на кондензатора се определя по формулата.

Кондензаторът е условно обозначен.

Свързване на кондензатори

Кондензаторът се продава поради тази потенциална разлика и следователно съхранява електричество до известно време по-късно, когато може да бъде поискано за конкретно приложение. Можете да мислите за това като за съхраняване на енергия от гледна точка на или забавяне на реакцията като абсорбатор на електрически удар за промяна на разликите в напрежението.

Капацитетът на конкретно разположение на два проводника зависи от тяхната геометрия и относително разположение. Обща структурае паралелен пластинчат кондензатор, както е показано на фигурата. В обекта на електростатичната теория ние доказваме постоянството на електрическото поле между две успоредни плочи без доказателство. Но какво е полето между плочите?

Помислете за последователно свързване на два кондензатора C 1 и C 2. Точка А между кондензаторите е отделена от останалата част от веригата, така че нейният електрически заряд не може да се промени. Тъй като първоначалният заряд на всяка точка е бил равен на нула, тогава . Следователно зарядите на кондензаторните плочи, съседни на точка А, са равни по големина, но противоположни по знак. Но тъй като стойността на заряда на плочите е равна на заряда на кондензаторите, тогава. Общият заряд на точка А е нула, така че ако изхвърлим тази точка заедно с плочите, тогава нищо няма да се промени във веригата. защото зарядите на крайните плочи също са еднакви по големина, но различни по знак, тогава полученият кондензатор ще има същия заряд по големина.

В раздел 8 откриваме, че електрическото поле върху плоска проводяща плоча се дефинира като: където е зарядът на единица площ върху плочата. Това ни води до по-полезен израз за полето: Отново, това не е вярно близо до краищата на плочите, където полето не е постоянно. Комбинирайки това с предишните факти, можем да намерим капацитета на кондензатор с паралелни пластини от Уравнение 24. Капацитет на кондензатор с паралелни пластини.

В уравнение 26 можем да видим, че кондензаторите могат да съхраняват повече заряд, когато плочите стават по-големи. Същото се случва, когато плочите се приближат. Когато плочите са по-близо една до друга, противоположните заряди упражняват по-силна сила една върху друга, което позволява повече маса да се съхранява върху плочите. От уравнение 24, кондензатор със стойност C в потенциална разлика съхранява заряд.

ОБЩА СУМА . Зарядите на последователно свързаните кондензатори са еднакви по големина. Общият заряд на последователно свързаните кондензатори е равен на заряда на всеки един от кондензаторите.

В този случай общото напрежение е равно на сумата от напреженията на кондензаторите: U GENERAL \u003d U 1 + U 2. Зарядите на кондензаторите са еднакви: q 1 \u003d q 2 \u003d q. Тогава . Ето защо .

Когато кондензаторите са свързани последователно, техните капацитети се сумират съгласно закона за реципрочните стойности .

Изчисляване на капацитета за паралелно свързване на кондензатори.

В този случай напреженията на кондензаторите са еднакви: U 1 \u003d U 2 \u003d U.

Общият заряд е равен на сумата от зарядите: q GEN = q 1 + q 2 или C GEN U=C 1 U+C 2 U.

Тогава C GENERAL =C 1 +C 2 . Когато кондензаторите са свързани паралелно, техните капацитети се сумират.

Кондензаторна енергия :

.

Общият заряд на кондензатора е нула. Кондензаторът съхранява електрическа енергия чрез разделяне на електрически заряди.

Примери за изчисляване на капацитета на кондензатори .

Плосък (въздушен) кондензатор представлява две успоредни плочи, разстоянието между които е много по-малко от размерите на плочите, така че полето между плочите може да се счита за равномерно. Между плочите има вакуум (въздух), следователно  = 1.

В този случай при изчисляване на модела на полето могат да се използват резултатите, получени за полето на безкрайна заредена равнина. Тъй като зарядите и площите на плочите са равни по големина, големината на силата на полето, създадено от всяка от плочите, е една и съща: но посоките на векторите на интензитета са различни (векторът на интензитета от отрицателно заредена плоча е показан с пунктирана линия). Между плочите векторите на интензитета са насочени по същия начин, така че общият интензитет е равен на сумата от напрегнатостта на полето, създадено от всяка от плочите:

.

Извън плочите векторите на напрегнатостта на полето са насочени противоположно, така че напрегнатостта на полето отвън е нула. По този начин, в кондензатор напрегнатостта на полето е различна от нула само между плочите.

Тъй като електростатичното поле е поле на консервативна сила, интегралът не зависи от формата на траекторията Ж, така че потенциалната разлика между плочите може да се намери по перпендикуляра, свързващ плочите, чиято дължина е равна на д:, където де разстоянието между плочите. Тогава капацитетът на плосък (въздушен) кондензатор в съответствие с определението ще бъде равен на:

Цилиндричен (въздушен) кондензатор се състои от два коаксиални цилиндъра

с еднаква дължина, вложени една в друга, така че разстоянието между плочите да е много по-малко от размерите на плочите.

Нека дължината на кондензатора Л, зарядът на вътрешната обвивка е положителен: р > 0. Радиуси на покритие Р 1 и Р 2, нека Р 1 <Р 2. Напрегнатост на полето между плочите на разстояние rот вътрешната облицовка, т.е. за Р 1 <r <Р 2 намираме с помощта на теоремата на Гаус:

.

Тогава напрежението между плочите: .

Следователно, електрическият капацитет на цилиндричен (въздушен) кондензатор: .

ОТ сферичен (въздушен) кондензатор представлява две вложени концентрични сфери с радиусите на плочите Р 1 и Р 2 ,Р 1 <Р 2. Нека зарядът на вътрешната облицовка q> 0. Силата на полето между облицовките на разстояние rот вътрешната облицовка ( Р 1 <r <Р 2) намираме по теоремата на Гаус:

.

Напрежение между плочите: .

Следователно, капацитетът на сферичен (въздушен) кондензатор .

Обемна енергийна плътност на електростатичното поле.

Помислете за плосък въздушен кондензатор. Енергия на зареден кондензатор

.

Количеството пространство между плочите на кондензатор. Тъй като полето между плочите се счита за хомогенно, единицата обем на това поле има енергия . Тази стойност се нарича обемна енергийна плътност .

В случай, че полето не е еднородно, обемната плътност на енергията е .

В материята, обемната енергийна плътност на електрическото поле .

Следователно в случай на хомогенен изотропен диелектрик .

защото , тогава , където

Енергията на електрическото поле във вакуум е енергията на поляризацията на материята.

Пример . Помислете за заредена тънкостенна сфера с радиус R. Тъй като едноименните заряди се отблъскват взаимно върху сферата, отблъскващите сили са склонни да разтягат повърхността на сферата. Можем да предположим, че от вътрешността на сферата стените са засегнати от допълнително налягане p, спукване на сферата и причинено от наличието на електрически заряд на повърхността. Да намерим Р.

Силата на полето вътре в сферата е нула, така че обемната енергийна плътност на електрическото поле wе различен от нула само извън сферата.

С леко увеличение на радиуса на сферата с дРнейният обем ще се увеличи, докато в тази част от околното пространство, попаднала вътре в сферата, обемната енергийна плътност ще стане равна на нула. Следователно промяната в енергията на полето отвън ще бъде равна на, където Се площта на повърхността. Но с разширяването на сферата, силите на натиск вътре в сферата ще свършат работата . От тогава откъде.

Пример . Нека намерим силите, действащи върху плочите в зареден плосък кондензатор, изключен от източника на захранване.

Плочите са противоположно заредени, така че се привличат. Да приемем, че плочите са близо една до друга на малко разстояние. х. След това обемът на кондензатора се намалява с dV = xS, така че енергията на кондензатора е намаляла с dW = wdV. Привличащите сили работят А = fx. Тъй като A= dW, тогава fx = wxS. Следователно големината на силата е Е = wS. Допълнителният натиск, който създават тези сили е равен на.

Горните примери показват, че телата в електрическо поле са подложени на сили, които причиняват допълнително налягане, равно на обемната плътност на енергията.

Налягането, причинено от наличието на електрическо поле, е равно на обемната енергийна плътност .

Сили , действащи върху тялото от страната на някакво поле, се наричат ​​пондемотор .

Противоположно заредените кондензаторни плочи се привличат една друга.

Нар. механични сили, действащи върху макроскопични заредени телапондеромотор .

Изчисляваме пондеромоторните сили, действащи върху плочите на плосък кондензатор. В този случай са възможни два варианта:

    Кондензаторът се зарежда и се изключва от заредената батерия(в този случай броят на зарядите на плочите остава постоянен р = конст).

Когато една пластина на кондензатор се отстрани от другата, работата е свършена

поради което потенциалната енергия на системата се увеличава:

В този случай dA = dW. Приравнявайки десните страни на тези изрази, получаваме


(12.67)

В този случай при разграничаване разстоянието между плочите беше обозначено с x.

    Кондензаторът е зареден, но не е изключен от батерията(в този случай при преместване на една от плочите на кондензатора напрежението ще остане постоянно ( U = конст). В този случай, когато една плоча се отдалечи от другата, потенциалната енергия на полето на кондензатора намалява, тъй като зарядите "изтичат" от плочите, следователно


Но

, тогава


Полученият израз съвпада с формулата

. Може да се представи и в друга форма, ако вместо заряда q въведем повърхностната плътност:


(12.68)

Полето е еднообразно. Силата на полето на кондензатора е

, където x е разстоянието между плочите. Заместване във формулата

U 2 \u003d E 2 x 2, получаваме, че силата на привличане на плочите на плосък кондензатор


(12.69)

Тези сили действат не само върху плочите. Тъй като плочите от своя страна оказват натиск върху поставения между тях диелектрик и го деформират, в диелектрика възниква налягане


(S е площта на всяка плоча).

Налягането, възникващо в диелектрика, е


(12.70)

Примери за решаване на проблеми

Пример 12.5. Към плоски чинии въздушен кондензаторприлага се потенциална разлика от 1,5 kV. Площ на чинията 150см 2 и разстоянието между тях е 5 мм. След изключване на кондензатора от източника на напрежение, в пространството между плочите (ε 2 =7). Определете:

1) потенциална разлика между плочите след въвеждането на диелектрик; 2) капацитетът на кондензатора преди и след въвеждането на диелектрика; 3) повърхностната плътност на заряда върху плочите преди и след въвеждането на диелектрика.

дадени: U 1 \u003d 1,5 kV \u003d 1,5 ∙ 10 3 V; S \u003d 150 cm 2 \u003d 1,5 ∙ 10 -2 m 2; ε 1 =1; d=5mm=5∙10 -3 m.

Намерете: 1) U 2; 2) C 1 C 2; 3) σ 1 , σ 2

Решение . защото

(σ е повърхностната плътност на заряда върху кондензаторните пластини), след това преди въвеждането на диелектрика σd=U 1 ε 0 ε 1 и след въвеждането на диелектрика σd=U 2 ε 0 ε 2, следователно


Капацитетът на кондензатора преди и след въвеждането на диелектрик


и

Зареждането на плочите след изключване от източника на напрежение не се променя, т.е. q=конст. Следователно повърхностната плътност на заряда върху плочите преди и след въвеждането на диелектрик


Отговор: 1) U 2 \u003d 214V; 2) C 1 \u003d 26,5 pF; C 2 \u003d 186pF; 3) σ 1 = σ 2 = 2,65 μC/m 2.

Пример 12.7. Пропастта между плочите на плосък кондензатор е запълнена с анизотропен диелектрик, чиято пропускливост ε варира в посока, перпендикулярна на плочите според линейния законε = α + βх от ε 1 до ε 2 и ε 2 > ε 1 . Площта на всяка облицовкаС, разстоянието между тяхд. Намерете капацитета на кондензатора.

дадени:С; д; ε 1; ε 2

Намирам: ОТ.

Решение . Диелектричната константа ε варира линейно, ε = α + βx, където x се измерва от облицовката, чиято пропускливост е равна на ε 1 . Като се има предвид, че ε (0) = ε 1 , ε (d) = ε 2 , получаваме зависимостта

. Намерете потенциалната разлика между плочите:


Капацитетът на кондензатора ще бъде


Отговор:

Пример 12.7. Между плочите на плосък кондензатор, зареден до потенциална разлика U , два слоя диелектрици са разположени успоредно на неговите плочи. Дебелината на слоевете и диелектричната проницаемост на диелектриците са съответнод 1 , д 2 , ε 1 , ε 2 . Определете силата на електростатичните полета в диелектричните слоеве.

дадени: U; д 1 , д 2 , ε 1 , ε 2

Намирам: E 1 , E 2 .

Решение . Напрежението върху плочите на кондензатора, като се има предвид, че полето във всеки от диелектричните слоеве е равномерно,

U=E 1 d 1 +E 2 d 2 . (един)

Електрическото изместване в двата диелектрични слоя е еднакво, така че можем да пишем

D=D1=D2= ε 0 ε 1 E 1 = ε 0 ε 2 Е 2 (2)

От изрази (1) и (2) намираме желаното


(3)

От формула (2) следва, че


Отговор:

;

Пример 12.7. Площ на плочата С плосък кондензатор е 100см 2 . Пространството между плочите е плътно запълнено с два слоя диелектрик - слюдена плоча (ε 1 =7) дебел д 1 =3,5 mm и парафин (ε 2 =2) дебелина д 2 =5 мм. Определете капацитета на този кондензатор.

дадени: С=100 см 2 =10 -2 м 2 ; ε 1 =7; д 1 =3,5 mm=3,5∙10 -3 m;, ε 1 =2; д 1 =3,5 mm=5∙10 -3 m;

Намирам: ОТ.

Решение . Капацитет на кондензатора


където = - заряд на плочите на кондензатора (- повърхностна плътност на заряда на плочите); \u003d - потенциална разлика на плочите, равна на сумата от напреженията върху диелектричните слоеве: U \u003d U 1 +U 2. Тогава


(1)

Напреженията U 1 и U 2 се намират по формулите


;

(2)

където E 1 и E 2 - силата на електростатичното поле в първия и втория слой на диелектрика; D е електрическото изместване в диелектриците (еднакво и в двата случая). Като се има предвид, че

И като се има предвид формула (2), от израз (1) намираме желания капацитет на кондензатора


Отговор: C \u003d 29,5pF.

Пример 12.7. Батерия от три кондензатора, свързани в серия C 1 \u003d 1 μF; ОТ 2 \u003d 2uF и C 3 \u003d 4 μF са свързани към източник на ЕМП. Зареждане на кондензаторната батерия р \u003d 40 μC. Определете: 1) напрежение U 1 , U 2 и U 3 на всеки кондензатор; 2) източник на ЕМП; 3) капацитетът на кондензаторната банка.

дадени : C 1 \u003d 1 μF \u003d 1 ∙ 10 -6 F; C 2 = 2 μF = 2 ∙ 10 -6 F и C 3 = 4 μF = 4 ∙ 10 -6 F; q = 40 μC = 40 ∙ 10 -6 F .

Намерете: 1) U 1, U 2, U 3 ; 2) ξ; 3) В.

Решение . Следователно, когато кондензаторите са свързани последователно, зарядите на всички пластини са еднакви по абсолютна стойност

q 1 \u003d q 2 \u003d q 3 \u003d q.

Напрежение на кондензатора






ЕМП на източника е равна на сумата от напреженията на всеки от последователно свързаните кондензатори:

ξ \u003d U 1 + U 2 + U 3

Когато са свързани последователно, реципрочните стойности на капацитета на всеки от кондензаторите се сумират:


Къде е желаният капацитет на кондензаторната банка


Отговор: 1) U 1 \u003d 40V; U 2 \u003d 20V, U 3 = 10V; 2) Ɛ= 70V; 3) C \u003d 0,571 μF.

Пример 12.7. Два плоски въздушни кондензатора с еднакъв капацитет са свързани последователно и свързани към източник на ЕМП. Как и колко пъти ще се промени зарядът на кондензаторите, ако един от тях се потопи в масло с диелектрична проницаемост ε=2,2.

дадени: C 1 \u003d C 2 \u003d C; q \u003d 40 μC \u003d 40 ∙ 10 -6 F ; ε 1 =1; ε 2 =2,2.

Намирам: .

Решение . Когато кондензаторите са свързани последователно, зарядите на двата кондензатора са равни по големина. Преди потапяне в диелектрик (в масло), зарядът на всеки кондензатор


където ξ \u003d U 1 + U 2 (когато кондензаторите са свързани последователно, EMF на източника е равна на сумата от напреженията на всеки от кондензаторите).

След като един от кондензаторите е потопен в диелектрик, зарядите на кондензаторите отново са еднакви и съответно на първия и втория кондензатор са равни

q= CU 1 =ε 2 CU 2

(като вземем предвид, че ε 1 =1), откъдето, ако вземем предвид, че ξ = U 1 + U 2 , намираме


(2)

Разделяйки (2) на (1), намираме желаното съотношение


Отговор:

, т.е. зарядът на кондензаторите се увеличава с коефициент 1,37.

Пример 12.7. Кондензаторите с капацитет C всеки са свързани, както е показано на фиг.а. определяне на капацитета често срещани това свързване на кондензатори. .


Решение . Ако изключите кондензатор C 4 от веригата, получавате връзка на кондензатори, която лесно се изчислява. Тъй като капацитетът на всички кондензатори е еднакъв (C 2 \u003d C 3 и C 5 \u003d C 6), и двата паралелни клона са симетрични, следователно потенциалите на точките A и B, еднакво разположени в клоните, трябва да бъдат равни. По този начин кондензатор С 4 е свързан към точки с нулева потенциална разлика. Следователно кондензаторът C 4 не е зареден, т.е. може да се изключи и схемата, представена в условието на задачата, да се опрости (фиг. б).

Тази верига се състои от три паралелни клона, два от които съдържат два последователно свързани кондензатора.


Отговор: C общо = 2C.

Пример 12.7. Плосък въздушен кондензатор с капацитет C 1 \u003d 4pF, зареден до потенциална разликаU 1 =100V. След изключване на кондензатора от източника на напрежение разстоянието между пластините на кондензатора се удвои. Определете: 1) потенциална разликаU 2 върху плочите на кондензатора след разделянето им; 2) работата на външните сили за раздалечаване на плочите.

дадени: C 1 \u003d 4pF \u003d 4 ∙ 10 -12 F; U 1 \u003d 100V; d 2 \u003d 2d 1.

Намирам: 1) U 2 ;2)A.

Решение . Зарядът на кондензаторните пластини след изключване от източника на напрежение не се променя, т.е. Q=конст. Ето защо

C 1 U 1 \u003d C 2 U 2, (1)

където C 2 и U 2 са съответно капацитетът и потенциалната разлика върху пластините на кондензатора след раздалечаването им.

Като се има предвид, че капацитетът на плосък кондензатор

, от формула (1) получаваме желаната потенциална разлика


(2)

След изключване на кондензатора от източника на напрежение, системата от две заредени плочи може да се счита за затворена, за която е изпълнен законът за запазване на енергията: работата А на външните сили е равна на промяната в енергията на системата

A \u003d W 2 - W 1 (3)

където W 1 и W 2 са енергията на полето на кондензатора съответно в началното и крайното състояние.

Като се има предвид това

и

(q – const), от формула (3) получаваме желаната работа на външните сили

[като се има предвид, че q=C 1 U 1 и формула (2)].

Отговор : 1) U 2 \u003d 200V; 2) A \u003d 40nJ.

Пример 12.7. Твърда топка от диелектрик с радиусР=5cm, зареден равномерно с обемна плътност ρ=5nC/m 3 . Определете енергията на електростатичното поле, съдържащо се в пространството около топката.

дадени: R=5cm=5∙10 -2 m; ρ=5nC/m 3 = 5∙10 -9 C / m 3.

Намирам: У.

Решение . Полето на заредена топка е сферично симетрично, така че обемната плътност на заряда е еднаква във всички точки, разположени на еднакви разстояния от центъра на топката.

д енергия в елементарен сферичен слой (избира се извън диелектрика, където трябва да се определи енергията) с обем dV (виж фигурата)

където dV=4πr 2 dr (r е радиусът на елементарен сферичен слой; dr е неговата дебелина);

(ε=1 – поле във вакуум; E – напрегнатост на електростатичното поле).

Ще намерим интензитета E чрез теоремата на Гаус за поле във вакуум и мислено ще изберем сфера с радиус r като затворена повърхност (вижте фигурата). В този случай целият заряд на топката, който създава разглежданото поле, попада вътре в повърхността и според теоремата на Гаус,


Където

Замествайки намерените изрази във формула (1), получаваме


Енергията, съдържаща се в пространството около топката,

Отговор: W=6,16∙10 -13 J.

Пример 12.7. Планарен кондензатор с площта на плочитеСи разстоянието между тях ℓ се отчита зарядътр, след което кондензаторът се изключва от източника на напрежение. Определете силата на привличанеЕмежду плочите на кондензатора, ако диелектричната проницаемост на средата между плочите е равна на ε.

дадени : С; ℓ; р; ε .

Намирам: Е.

Решение . Зарядът на кондензаторните пластини след изключване от източника на напрежение не се променя, т.е. q=конст. Да предположим, че под действието на силата на привличане F разстоянието между плочите на кондензатора се е променило с d . Тогава силата F извършва работа

Според закона за запазване на енергията тази работа е равна на загубата на енергия на кондензатора, т.е.


. (3)

Заместване във формулата за енергията на зареден кондензатор

израз за капацитета на плосък кондензатор

, получаваме


(4)


Отговор:

Пример 12.7. Плосък кондензаторСи разстоянието между тях ℓ свързани към източник на постоянно напрежениеU. Определете силата на привличанеЕмежду плочите на кондензатора, ако диелектричната проницаемост на средата между плочите е равна на ε.

дадени : С; ℓ; U; ε .

Намирам: Е.

Решение . Според условието на проблема се поддържа постоянно напрежение на кондензаторните пластини, т.е. U=конст. Да предположим, че под действието на силата на привличане F разстоянието между плочите на кондензатора се е променило с dℓ. Тогава силата F извършва работа

Според закона за запазване на енергията тази работа в този случай отива за увеличаване на енергията на кондензатора (сравнете с предишната задача), т.е.

откъдето въз основа на изрази (1) и (2) получаваме


(3)

Заместване във формулата за енергията на кондензатора

израз за капацитета на плосък кондензатор

, получаваме


(4)

Замествайки енергийната стойност (4) във формула (3) и извършвайки диференциация, намираме желаната сила на привличане между плочите на кондензатора


.

където знакът "-" показва, че силата F е сила на привличане.

Отговор :