Лекция 15-1

Физика
Электричество и магнетизм. Колебания и волны
ЛЕКЦИЯ № 15-1
Company
LOGO
к. пед.н., доцент Полицинский Е.В.
Полицинский Е.В.
Рассматриваем следующие вопросы:
1
Электроёмкость. Конденсаторы
2
Соединение конденсаторов
3
Энергия заряженного уединённого проводника,
конденсатора, электростатического поля
4
Постоянный электрический ток. Закон Ома.
Электрическое сопротивление
Полицинский Е.В.
Электроёмкость. Конденсаторы
Рассмотрим уединённый проводник – проводник, удалённый от других тел и зарядов. Из
опыта следует, что разные проводники, будучи одинаково заряженными, имеют разные
потенциалы.
Физическая величина C, равная отношению заряда проводника q к его потенциалу  ,
называется электрической ёмкостью проводника:
C
q

(58).
Электроёмкость уединённого проводника численно равна заряду, который нужно
сообщить этому проводнику для того, чтобы изменить его потенциал на единицу. Она
зависит от формы и размеров проводника и диэлектрических свойств окружающей
среды. Ёмкости геометрически подобных проводников пропорциональны их
линейным размерам.
Если проводник имеет форму шара:
C
где R – радиус шара.
q

 4   0    R
(59),
Единица электроёмкости – фарад (Ф): 1Ф – ёмкость такого уединённого
проводника, потенциал которого изменяется на 1В при сообщении ему
заряда 1Кл.
Полицинский Е.В.
Ёмкостью 1Ф обладает шар с радиусом R= 9∙106 км. Ёмкость Земли 0,7 мФ.
Если к проводнику с зарядом q приблизить другие тела, то на их поверхности возникнут
индуцированные (на проводнике) или связанные (на диэлектрике) заряды. Эти заряды
ослабляют поле, созданное зарядом q, тем самым, понижая потенциал проводника и
повышая его электроёмкость.
Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок) с одинаковыми по
модулю, но противоположными по знаку зарядами, форма и расположение которых
таковы, что поле сосредоточено в узком зазоре между обкладками. Условное
обозначение показано на рисунке (рис. 41).
Рис. 41. Условные обозначения конденсаторов
Ёмкость конденсатора – физическая
величина, равная отношению заряда q,
накопленного в конденсаторе, к разности
потенциалов между его обкладками: С  q .

Полицинский Е.В.
1. Ёмкость плоского конденсатора (две параллельные металлические пластины
площадью S каждая, расположенные на расстоянии d друг от друга (   q )):
S
C
q
q
   S

 0
   d
d
0  
(60).
Электрическое поле в таком конденсаторе является однородным. В таком поле
напряжённость и разность потенциалов на обкладках конденсатора связаны
следующим соотношением: E  U или E   ,
d
d
где  или U – разность потенциалов между обкладками конденсатора;
расстояние между ними.
d –
2. Ёмкость цилиндрического конденсатора (два коаксиальных цилиндра длиной l с
радиусами r1 и r2):
q
2   0    l
C

(61).
q
r
r
 ln 2
ln 2
2   0    l
r1
r1
3. Ёмкость сферического конденсатора (две концентрических сферы с радиусами r1 и
r2):
q
r r
C
 4   0    1 2
q
1 1
r2  r1
(62).
(  )
4     0   r1 r2
Полицинский Е.В.
Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между
пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также
возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем
рассеяния (рис.42). В целом ряде задач можно приближенно пренебрегать полем
рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком
сосредоточено между его обкладками (рис.43). Но в других задачах пренебрежение
полем рассеяния может привести к грубым ошибкам, так как при этом нарушается
потенциальный характер электрического поля .
Рис. 42. Поле плоского конденсатора
Рис. 43. Идеализированное представление
поля плоского конденсатора
Каждая из заряженных пластин плоского конденсатора создает вблизи поверхности
электрическое поле, модуль напряженности которого выражается соотношением
Согласно принципу суперпозиции, напряженность поля
Внутри конденсатора эти вектора параллельны; поэтому модуль напряженности суммарного поля
равен
Вне пластин вектора напряжённости пластин направлены противоположно и E=0.
Полицинский Е.В.
Соединение конденсаторов
Конденсаторы могут соединяться между собой, образуя батареи конденсаторов.
1. Параллельное соединение (рис. 44).
При параллельном соединении конденсаторов разность
потенциалов одинакова для обоих конденсаторов = const, а заряд
батареи конденсаторов равен q=q1+q2. Электроёмкость двух
q q q
параллельно соединённых конденсаторов равна: C   1 2 .

Рис. 44. Два параллельно
соединённых конденсатора
Учитывая, что q1 = C1∙∆φ; q2 = C2∙∆φ, получаем: С = С1+ С2.
Для n конденсаторов: n
n
q   qi ; U  const; C   Ci
i 1

i 1
(63).
2. Последовательное соединение (рис. 45).
При последовательном соединении конденсаторов их заряды
одинаковы, т.к. на соединённых пластинах суммарный заряд равен
нулю. Разность потенциалов на батарее конденсаторов равна
сумме разностей потенциалов на каждом конденсаторе:
∆φ = ∆φ1+∆φ2, но
Рис. 45. Два последовательно
соединённых конденсатора
Поэтому получим:
n
Для n конденсаторов: q  const; U  U i ;
i 1
q
q
q
; 1  ; 2 
C
C1
C2
1 1
1
 
C C1 C2
 
n
1
1

C i 1 Ci
(64).
Полицинский Е.В.
Энергия системы неподвижных точечных зарядов
Для системы двух зарядов q1 и q2, находящихся на расстоянии r друг от друга,
каждый из них в поле другого обладает потенциальной энергией:
W1  q1  12  q1 
1
4   0

q2
1
q
 q2 
 1  q2  21  W2 .
r
4   0 r
Поэтому W  q1  12  q2  21  1  (q1  12  q2  21 ).
2
Добавляя последовательно по одному заряду, получим, что энергия взаимодействия
системы n неподвижных точечных зарядов равна:
1 n
W    qi  i
(65),
2 i 1
где  i – потенциал, создаваемый в той точке, где находится заряд , всеми зарядами
кроме i-ого.
Энергия заряженного уединённого проводника
Рассмотрим уединённый проводник, заряд, ёмкость и потенциал которого равны:
q, C ,  .
Элементарная работа dA , совершаемая внешними силами по преодолению кулоновских
сил отталкивания при перенесении заряда dq из бесконечности на проводник, равна
dA    dq  C   d.
Полицинский Е.В.
Чтобы зарядить проводник от нулевого потенциала до φ, необходимо совершить
работу

C  2
A   C   d 
.
2
0
Энергия заряженного уединённого проводника (используя
W
C U 2
или W 
.
2
C
C 
q
q 


2
2C
2
2
2
q

):
(66),
Энергия заряженного конденсатора
Элементарная работа внешних сил по перенесению малого заряда dq с обкладки 2
конденсатора на обкладку 1:
q  dq
dA    dq 
C
.
Работа внешних сил при увеличении заряда конденсатора от 0 до q:
q  dq
q2
A

.
C
2

C
0
q
Энергия заряженного конденсатора (используя C 
q ):

q2
C  (1  2 ) q  
W


2C
2
2
(67).
Полицинский Е.В.
Энергия электростатического поля
В общем случае электрическую энергию любой системы заряженных неподвижных тел
– проводников и непроводников – можно найти по формуле:
W
1
1
     dS       dV
2 S
2 V
(68),
где σ и ρ – поверхностная и объёмная плотности зарядов; φ – потенциал результирующего
поля всех свободных и связанных зарядов в точках малых элементов dS и dV заряженных
поверхностей и объёмов. Интегрирование проводится по всем заряженным поверхностям
S и по всему заряженному объёму V тел системы.
На примере поля плоского конденсатора выразим энергию поля через его
напряжённость. Для конденсатора C     0  S / d и   E  d .
Отсюда
1
1
W      0  E 2  S  d      0  E 2 V
2
2
(69).
В однородном поле конденсатора его энергия распределена равномерно по всему
объёму поля
V  S  d.
Полицинский Е.В.
Объёмная плотность энергии электростатического поля плоского
конденсатора  :

где
D    0  E
W 1
1
    0  E2   E  D
V 2
2
(70),
– электрическое смещение.
Эта формула является отражением того факта, что электрическая энергия
сосредоточена в электростатическом поле.
Пондеомоторные силы – механические силы, действующие на заряженные тела,
помещённые в электромагнитное поле.
Например, в плоском конденсаторе сила, с которой пластины конденсатора притягивают
друг друга, совершает работу за счёт уменьшения потенциальной энергии системы. С

q
учётом
и
получаем:

E
,
S
  0
dW
q
2 S
1
F 


     0  E2  S
dx
2    0  S
2    0
2
(71),
где знак минус указывает на то, что эта сила является силой притяжения. Под
действием этой силы обкладки конденсатора сжимают пластину диэлектрика,
помещённого между ними, и в диэлектрике возникает давление:
p  F / S   2 / 2     0  0,5     0  E 2
(72).
Полицинский Е.В.
Постоянный электрический ток
Постоянный электрический ток, сила и плотность тока
Электродинамика – раздел учения об электричестве, в котором рассматриваются
явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов.
Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов.
За направление тока принимают направления движения положительных зарядов.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая
величина, равная отношению заряда dq , переносимого сквозь рассматриваемую
поверхность за малый промежуток времени, к величине dt этого промежутка:
I
dq
dt
(73),
Электрический ток называется постоянным, если сила тока и его направление не
изменяются с течением времени.
Для постоянного тока
I
q
t
(74),
где q – электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение
проводника.
Единица силы тока – ампер.
Полицинский Е.В.
Действие электрического тока на человека
Полицинский Е.В.
Для характеристики направления электрического тока в разных точках
рассматриваемой поверхности и распределения силы тока по этой поверхности служит
вектор плотности тока j . Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется
как поток вектора плотности тока: I   j  dS , где dS  ndS
( n – единичный вектор
S
нормали (орт) к площади dS ).
Плотностью электрического тока называется вектор j , совпадающий с направлением
электрического тока в рассматриваемой точке и численно равный отношению силы
тока dI сквозь малый элемент поверхности, ортогональный направлению тока, к
площади dS  этого элемента:
dI
(75).
j
dS
Для постоянного тока I текущего перпендикулярно сечению S проводника:
I
(76).
j
S
Если за время dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд dq  n  e    Sdt
(где n, e, и 
– концентрация, заряд и средняя скорость упорядоченного движения
зарядов), то сила тока I  dq  n  e    S , а плотность тока:
j  ne  .
dt
Единица плотности тока – А/м2.
Сторонние силы
Для возникновения и существования электрического тока необходимо:
Полицинский Е.В.
1) наличие свободных носителей тока – заряженных частиц, способных перемещаться
упорядоченно;
2) наличие электрического поля, энергия которого должна каким-то образом восполняться.
Если в цепи действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение
носителей таким образом, что потенциалы всех точек выравниваются и электростатическое
поле исчезает.
Для существования электрического тока необходимо наличие в цепи устройства, способного
создавать и поддерживать разность потенциалов за счёт сил не электростатического
происхождения. Такие устройства называются источниками тока.
Силы не электростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников
тока, называются сторонними.
Количественная характеристика сторонних сил – поле сторонних сил и его напряжённость E стор ,
определяемая сторонней силой, действующей на единичный положительный заряд.
Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах они
возникают за счёт энергии химических реакций между электродами и электролитами; в
генераторе – за счёт механической энергии вращения ротора генератора; в солнечных батареях
– за счёт энергии фотонов и т.п. Роль источника тока в электрической цепи такая же, как и роль
насоса в гидравлической системе.
Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри
источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи
поддерживается разность потенциалов и в цепи течёт постоянный электрический ток.
Полицинский Е.В.
Полицинский Е.В.
Электродвижущая сила и напряжение
Физическая величина определяемая работой, которую совершают сторонние силы при
перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой
(ЭДС) действующей в цепи:
A

(77).
q0
Эта работа совершается за счёт энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому
величину  , можно назвать электродвижущей силой источника тока, включённого в
цепь. ЭДС, как и потенциал, выражается в вольтах.
Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называется однородным.
Участок, на котором на носители тока действуют сторонние силы, называется
неоднородным.
Работа сторонних сил по перемещению заряда q0 на замкнутом участке цепи:
A
F
стор
 dl  q0   E
стор
dl.
Отсюда, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, – это циркуляция вектора напряжённости
поля сторонних сил:
   E dl.
стор
Следовательно, для поля сторонних сил циркуляция вектора напряжённости по
замкнутому контуру не равна нулю. Поэтому поле сторонних сил – непотенциально.
Полицинский Е.В.
ЭДС, действующая на участке 1–2 цепи, равна:
2
12   E стор dl.
1
Если на заряд q0 действуют как сторонние силы, так и силы электростатического поля, то
результирующая сила
F  F cтор  F e  q0  ( E стор  E ).
Работа сторонней силы по перемещению заряда q0 на участке 1–2:
2
2
1
1
A12  q0   E стор dl  q0   Edl  q0  12  q0  (1  2 ).
Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, поэтому
A  q0   .
Напряжением U на участке 1–2 называется физическая величина, численно равная
суммарной работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами по
перемещению единичного положительного заряда на данном участке цепи:
U
A12
 1  2  12
q0
(78).
Понятие «напряжение» является обобщением понятия разности потенциалов:
напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов, если участок не
содержит источника тока (т.е. на участке отсутствует ЭДС; сторонние силы отсутствуют).
Полицинский Е.В.
Закон Ома. Электрическое сопротивление
Закон Ома для однородного участка цепи (не содержащего источника тока):
сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику,
пропорционально напряжению на конце проводника (интегральная форма
закона Ома).
U
I
(79).
R
Коэффициент пропорциональности R называется электрическим сопротивлением
проводника. Единица электрического сопротивления – Ом. Величина
G
1
R
(80),
называется электрической проводимостью проводника. Единица электрической
проводимости – сименс (См). 1См – проводимость участка электрической цепи
сопротивлением 1Ом.
Сопротивление проводника зависит от его размеров и формы, а
также от материала, из которого проводник изготовлен.
Полицинский Е.В.
Для однородного линейного проводника длиной l
сечения S сопротивление рассчитывается по формуле:
и площадью поперечного
l
(81),
S
где  – коэффициент пропорциональности (табл.), характеризующий материал
проводника, который называется – удельное электрическое сопротивление. Единица
удельного электрического сопротивления – 1 Ом∙м.
Физический смысл электрического сопротивления заключается в том, что
упорядоченному движению электронов в металлическом проводнике препятствуют их
столкновения с колеблющимися ионами кристаллической решётки.
Величина обратная удельному сопротивлению называется удельной
электрической проводимостью вещества проводника:
1
(82).
 
R

Единица удельного электрического сопротивления – сименс на метр: 1 См/м. В
l
I
проводнике U  E – напряжённость электрического поля, R    S , j  S .
l
Из закона Ома получим соотношение:
В векторной форме соотношение
I 1 U
 
S  l
, откуда
j    E.
j  E
(83)
называется законом Ома в дифференциальной форме. Этот закон связывает плотность тока в
любой точке внутри проводника с напряжённостью электрического поля в этой точке.
Company
LOGO